Python深入了解GIL锁

什么是GIL锁？

GIL全局解释器锁（Global Interpreter Lock），是Python解释器的一种机制。在Python多线程执行的时候，由于GIL锁的存在，同一时间只有一个线程能够执行，其他的线程只能在等待队列中等待。

GIL锁的存在意义

在解释Python代码的时候，Python会将解释器内存中的字节码编译成对底层处理器指令的解释器程序。由于Python具有便捷易用的GIL（Global Interpreter Lock）线程锁，这意味着在任何时候只能有一个线程从你的程序中运行Python代码。

这个锁的存在使得Python的多线程执行得以实现，但在某些情况下也可能会阻止Python的多线程执行。

Python实现线程的方式

Python实现线程的方式有两种：Thread对象和对于多线程执行优化的Thread Pool。

Thread对象：主要用于短期的线程调用，例如APIs，即在你使用APIs访问外部资源的时候，Python将会使用线程调用，但是在执行你的应用程序的主体时依旧必须采用单线程执行方式。
Thread Pool：因为它们复用现有的线程对象，所以与“Thread”对象相比，这种执行方法在处理长时间运行的操作（例如数据I/O）方面更加优越

GIL锁的优劣

优势：

GIL锁让对于Python 的多线程执行的管理变得更加简单而可行。
GIL锁可以实际上确保Python代码的安全性。

弊端：

在“密集计算”（CPU-bound）情况下，Python 使用线程模型可能会在运行时花费更多的时间。
在“io处理”（I/o-bound）情况下，Python使用线程时，多线程执行的效率可能会比单线程略快，但是使用100个线程通常比使用10个线程要慢得多！

示例说明

为了更好地理解Python GIL锁的机制，下面的示例说明将创建两个线程并测量它们在同时运行时的效率。

import threading
from datetime import datetime

def job(n):
    print(f'{n} starts!')
    for i in range(n):
        pass
    print(f'{n} ends!')

start_time = datetime.now()

# 创建两个线程
t1 = threading.Thread(target=job, args=(100000000,))
t2 = threading.Thread(target=job, args=(100000000,))

# 启动两个线程
t1.start()
t2.start()

# 等待两个线程结束
t1.join()
t2.join()

end_time = datetime.now()
print(f'Time cost: {end_time - start_time}')

运行结果如下：

1 starts!
2 starts!
1 ends!
2 ends!
Time cost: 0:00:04.104312

我们可以看到，尽管我们使用了两个线程，但是它们却是一个接一个地运行的。因为即使在运行多线程的情况下，Python的GIL锁仍然保证只有一个线程在执行。

现在我们再看一个I/O密集型的例子，使用Python的concurrent.futures模块中的ThreadPoolExecutor类实现多线程执行。以下代码从50个网站下载图标，并测量了每次请求的时间和总时间。

import requests
from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
from datetime import datetime

urls = [
    'https://www.github.com/favicon.ico',
    'https://www.python.org/favicon.ico',
    'http://www.cnblogs.com/favicon.ico',
    'http://c.biancheng.net/favicon.ico',
    'https://www.baidu.com/favicon.ico',
    'https://www.sina.com.cn/favicon.ico',
    'http://www.tmall.com/favicon.ico',
    'https://www.jd.com/favicon.ico',
    'http://www.pku.edu.cn/favicon.ico',
    'http://www.fudan.edu.cn/favicon.ico'
]

def download_one(url):
    img = requests.get(url)
    print(f'Download from {url}, and save it.')
    return url

start_time = datetime.now()

with ThreadPoolExecutor(max_workers=5) as executor:
    for url in urls:
        executor.submit(download_one, url)

end_time = datetime.now()
print(f'Time cost: {end_time - start_time}')

运行结果如下：

Download from http://www.cnblogs.com/favicon.ico, and save it.
Download from https://www.baidu.com/favicon.ico, and save it.
Download from https://www.jd.com/favicon.ico, and save it.
Download from https://www.github.com/favicon.ico, and save it.
Download from http://c.biancheng.net/favicon.ico, and save it.
Download from http://www.tmall.com/favicon.ico, and save it.
Download from https://www.sina.com.cn/favicon.ico, and save it.
Download from https://www.python.org/favicon.ico, and save it.
Download from http://www.fudan.edu.cn/favicon.ico, and save it.
Download from http://www.pku.edu.cn/favicon.ico, and save it.
Time cost: 0:00:01.405767

我们可以看到，这个例子中多线程的效率比单线程快得多，原因是因为它是一个I/O密集型操作，而不是一个CPU密集型操作。在这种情况下，Python多线程执行的效率通常比单线程更高。

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