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    Python多线程机制深入理解

    时间:2019-08-13|栏目:Ubuntu|点击:
  • 今天要跟大家一起来学习一下Python的多线程机制。有两个原因,其一是自己在学习中经常会使用到多线程,其二当然是自己对Python中的多线程并不是很了解。那么,今天和大家一起了解下~

    Python多线程机制

    开发多线程的应用系统,是在日常开发中经常会遇到的需求。同时,Python也为多线程系统的开发提供了很好的支持。
    大家应该都知道,Python多线程机制是在GIL(Global Interpreter Lock)全局解释锁的基础上建立的。

    那么Python为什么需要全局解释锁?

    为什么需要全局解释锁?

    我们知道,要支持多线程的话,一个基本的要求就是不同线程对共享资源访问的互斥,所以Python中引入了GIL,当然这是第一个原因。

    Python中的GIL是一个非常霸道的互斥实现,在一个线程拥有了解释器的访问权之后,其它的所有线程都必须等待它释放解释器的访问权,即使这些线程的下一条指令并不会互相影响。

    这样的说法也就意味着,无论如何,在同一时间,只能有一个线程能访问Python提供的API。因为单处理器的本质是不可能并行的,这里的同一时间确实对于单处理器是毫无意义的,但是对于多处理器,同一时间,确实可以有多个时间独立运行。然而正是由于GIL限制了这样的情形,使得多处理器最终退化为单处理器,性能大打折扣。那么,为什么还要使用GIL呢?这里就要提到第二个原因。

    当然,Python社区也早都认识到了这个问题,并且在不断探索,Greg Stein和Mark Hammond两位老兄曾经创建过一份去除GIL的branch,但是很不幸,这个分支在很多的基准测试中,尤其是在单线程的测试上,效率只有使用GIL的一半左右。

    使用GIL时,保护机制的粒度比较大,也就是我们似乎只需要将可能被多个线程共享的资源保护起来即可,对于不会被多个线程共享的资源,完全可以不用保护。但是,如果使用更细粒度的锁机制进行保护,那么,会导致大量的加锁和解锁功能,加锁和解锁对于操作系统来说,是一个比较重量级的动作,同时,没有GIL的保护,编写Python的扩展模块的难度也大大增加。

    所以,目前为止,GIL仍然是多线程机制的基石。

    对于Python而言,字节码解释器是Python的核心所在,所以Python通过GIL来互斥不同线程对解释器的使用。这里举个例子进行说明:

    假设,现在有三个线程A、B和C,它们都需要解释器来执行字节码,进行对应的计算,那么在这之前,它们必须获得GIL。那么现在假设线程A获得了GIL,其它线程只能等A释放GIL之后,才能获得。

    对!是这样没错,于是,有两个问题:

    1. 线程A何时释放GIL呢(如果A使用完解释器之后才释放GIL,那么,并行的计算退化为串行,多线程的意义何在?)

    2. 线程B和C谁将在A释放GIL之后获得GIL呢?

    所以毫无疑问的,Python拥有其自己的一套线程调度机制。

    关于线程调度

    和操作系统的进程调度一样,线程调度机制主要解决两个问题:

    1. 在何时挂起当前线程,选择处于等待状态的下一个线程?

    2. 在众多处于等待状态的线程中,应该选择激活哪个线程?

    对于何时进行线程调度的问题,是由Python自身决定的。我们可以联想操作系统进行进程切换的问题,当一个进程执行了一段时间之后,发生了时钟中断,于是操作系统响应时钟中断,并在这时开始进程的调度。

    与此类似,Python中通过软件模拟了这样的中断,来激活线程的调度。Python的字节码解释器是按照指令的顺序一条一条的顺序执行从而工作的,Python内部维护着这样一个数值,作为Python内部的时钟,假设这个值为N,那么Python将在执行了N条指令之后立刻启动线程调度机制。

    也就是说,当一个线程获得GIL后,Python内部的监测机制就开始启动,当这个线程执行了N条指令后,Python解释器将强制挂起当前线程,开始切换到下一个处于等待状态的线程。

    在Python中,可以这样获得这个数值(N):

    Python多线程机制深入理解

    那么,下一个问题,Python会在众多等待的线程中选择哪一个呢?

    答案是,不知道。因为这个问题是交给了底层的操作系统来解决的,Python借用了底层操作系统所提供的线程调度机制来决定下一个获得GIL进入解释器的线程是谁。

    所以说,Python中的线程实际上就是操作系统所支持的原生线程。

    那么,接下来,我们一起揭开Python中GIL的真实面目。

    关于GIL

    应该知道,Python中多线程常用的两个模块:Thread和在其之上的threading。其中Thread是使用C实现的,而Threading是用python实现。

    我们可以通过Thread模块进行分析(以Python2.7.13为例)。

    创建线程
    首先从创建线程说起,在threadmodule.c中,thread_PyThread_start_new_thread()函数通过三个主要的动作完成一个线程的创建:

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