对 Python 中 GIL 的一点理解

2022-05-28

GIL(Global Interpreter Lock)，全局解释器锁，是 CPython 为了避免在多线程环境下造成 Python 解释器内部数据的不一致而引入的一把锁，让 Python 中的多个线程交替运行，避免竞争。

需要说明的是 GIL 不是 Python 语言规范的一部分，只是由于 CPython 实现的需要而引入的，其他的实现如 Jython 和 PyPy 是没有 GIL 的。那么为什么 CPython 需要 GIL 呢，下面我们就来一探究竟（基于 CPython 3.10.4）。

为什么需要 GIL

GIL 本质上是一把锁，学过操作系统的同学都知道锁的引入是为了避免并发访问造成数据的不一致。CPython 中有很多定义在函数外面的全局变量，比如内存管理中的 usable_arenas 和 usedpools，如果多个线程同时申请内存就可能同时修改这些变量，造成数据错乱。另外 Python 的垃圾回收机制是基于引用计数的，所有对象都有一个 ob_refcnt 字段表示当前有多少变量会引用当前对象，变量赋值、参数传递等操作都会增加引用计数，退出作用域或函数返回会减少引用计数。同样地，如果有多个线程同时修改同一个对象的引用计数，就有可能使 ob_refcnt 与真实值不同，可能会造成内存泄漏，不会被使用的对象得不到回收，更严重可能会回收还在被引用的对象，造成 Python 解释器崩溃。

GIL 的实现

CPython 中 GIL 的定义如下

struct _gil_runtime_state {
    unsigned long interval; // 请求 GIL 的线程在 interval 毫秒后还没成功，就会向持有 GIL 的线程发出释放信号
    _Py_atomic_address last_holder; // GIL 上一次的持有线程，强制切换线程时会用到
    _Py_atomic_int locked; // GIL 是否被某个线程持有
    unsigned long switch_number; // GIL 的持有线程切换了多少次
    // 条件变量和互斥锁，一般都是成对出现
    PyCOND_T cond;
    PyMUTEX_T mutex;
    // 条件变量，用于强制切换线程
    PyCOND_T switch_cond;
    PyMUTEX_T switch_mutex;
};

最本质的是 mutex 保护的 locked 字段，表示 GIL 当前是否被持有，其他字段是为了优化 GIL 而被用到的。线程申请 GIL 时会调用 take_gil() 方法，释放 GIL时调用 drop_gil() 方法。为了避免饥饿现象，当一个线程等待了 interval 毫秒（默认是 5 毫秒）还没申请到 GIL 的时候，就会主动向持有 GIL 的线程发出信号，GIL 的持有者会在恰当时机检查该信号，如果发现有其他线程在申请就会强制释放 GIL。这里所说的恰当时机在不同版本中有所不同，早期是每执行 100 条指令会检查一次，在 Python 3.10.4 中是在条件语句结束、循环语句的每次循环体结束以及函数调用结束的时候才会去检查。

申请 GIL 的函数 take_gil() 简化后如下

static void take_gil(PyThreadState *tstate)
{
    ...
    // 申请互斥锁
    MUTEX_LOCK(gil->mutex);
    // 如果 GIL 空闲就直接获取
    if (!_Py_atomic_load_relaxed(&gil->locked)) {
        goto _ready;
    }
    // 尝试等待
    while (_Py_atomic_load_relaxed(&gil->locked)) {
        unsigned long saved_switchnum = gil->switch_number;
        unsigned long interval = (gil->interval >= 1 ? gil->interval : 1);
        int timed_out = 0;
        COND_TIMED_WAIT(gil->cond, gil->mutex, interval, timed_out);
        if (timed_out &&  _Py_atomic_load_relaxed(&gil->locked) && gil->switch_number == saved_switchnum) {
            SET_GIL_DROP_REQUEST(interp);
        }
    }
_ready:
    MUTEX_LOCK(gil->switch_mutex);
    _Py_atomic_store_relaxed(&gil->locked, 1);
    _Py_ANNOTATE_RWLOCK_ACQUIRED(&gil->locked, /*is_write=*/1);

    if (tstate != (PyThreadState*)_Py_atomic_load_relaxed(&gil->last_holder)) {
        _Py_atomic_store_relaxed(&gil->last_holder, (uintptr_t)tstate);
        ++gil->switch_number;
    }
    // 唤醒强制切换的线程主动等待的条件变量
    COND_SIGNAL(gil->switch_cond);
    MUTEX_UNLOCK(gil->switch_mutex);
    if (_Py_atomic_load_relaxed(&ceval2->gil_drop_request)) {
        RESET_GIL_DROP_REQUEST(interp);
    }
    else {
        COMPUTE_EVAL_BREAKER(interp, ceval, ceval2);
    }
    ...
    // 释放互斥锁
    MUTEX_UNLOCK(gil->mutex);
}

整个函数体为了保证原子性，需要在开头和结尾分别申请和释放互斥锁 gil->mutex。如果当前 GIL 是空闲状态就直接获取 GIL，如果不空闲就等待条件变量 gil->cond interval 毫秒（不小于 1 毫秒），如果超时并且期间没有发生过 GIL 切换就将 gil_drop_request 置位，请求强制切换 GIL 持有线程，否则继续等待。一旦获取 GIL 成功需要更新 gil->locked、gil->last_holder 和 gil->switch_number 的值，唤醒条件变量 gil->switch_cond，并且释放互斥锁 gil->mutex。

释放 GIL 的函数 drop_gil() 简化后如下

static void drop_gil(struct _ceval_runtime_state *ceval, struct _ceval_state *ceval2,
         PyThreadState *tstate)
{
    ...
    if (tstate != NULL) {
        _Py_atomic_store_relaxed(&gil->last_holder, (uintptr_t)tstate);
    }
    MUTEX_LOCK(gil->mutex);
    _Py_ANNOTATE_RWLOCK_RELEASED(&gil->locked, /*is_write=*/1);
    // 释放 GIL
    _Py_atomic_store_relaxed(&gil->locked, 0);
    // 唤醒正在等待 GIL 的线程
    COND_SIGNAL(gil->cond);
    MUTEX_UNLOCK(gil->mutex);
    if (_Py_atomic_load_relaxed(&ceval2->gil_drop_request) && tstate != NULL) {
        MUTEX_LOCK(gil->switch_mutex);
        // 强制等待一次线程切换才被唤醒，避免饥饿
        if (((PyThreadState*)_Py_atomic_load_relaxed(&gil->last_holder)) == tstate)
        {
            assert(is_tstate_valid(tstate));
            RESET_GIL_DROP_REQUEST(tstate->interp);
            COND_WAIT(gil->switch_cond, gil->switch_mutex);
        }
        MUTEX_UNLOCK(gil->switch_mutex);
    }
}

首先在 gil->mutex 的保护下释放 GIL，然后唤醒其他正在等待 GIL 的线程。在多 CPU 的环境下，当前线程在释放 GIL 后有更高的概率重新获得 GIL，为了避免对其他线程造成饥饿，当前线程需要强制等待条件变量 gil->switch_cond，只有在其他线程获取 GIL 的时候当前线程才会被唤醒。

几点说明

GIL 优化

受 GIL 约束的代码不能并行执行，降低了整体性能，为了尽量降低性能损失，Python 在进行 IO 操作或不涉及对象访问的密集 CPU 计算的时候，会主动释放 GIL，减小了 GIL 的粒度，比如

读写文件
网络访问
加密数据/压缩数据

所以严格来说，在单进程的情况下，多个 Python 线程时可能同时执行的，比如一个线程在正常运行，另一个线程在压缩数据。

用户数据的一致性不能依赖 GIL

GIL 是为了维护 Python 解释器内部变量的一致性而产生的锁，用户数据的一致性不由 GIL 负责。虽然 GIL 在一定程度上也保证了用户数据的一致性，比如 Python 3.10.4 中不涉及跳转和函数调用的指令都会在 GIL 的约束下原子性的执行，但是数据在业务逻辑上的一致性需要用户自己加锁来保证。

下面的代码用两个线程模拟用户集碎片得奖

from threading import Thread

def main():
    stat = {"piece_count": 0, "reward_count": 0}
    t1 = Thread(target=process_piece, args=(stat,))
    t2 = Thread(target=process_piece, args=(stat,))
    t1.start()
    t2.start()
    t1.join()
    t2.join()
    print(stat)

def process_piece(stat):
    for i in range(10000000):
        if stat["piece_count"] % 10 == 0:
            reward = True
        else:
            reward = False
        if reward:
            stat["reward_count"] += 1
        stat["piece_count"] += 1

if __name__ == "__main__":
    main()

假设用户每集齐 10 个碎片就能得到一次奖励，每个线程收集了 10000000 个碎片，应该得到 9999999 个奖励（最后一次没有计算），总共应该收集 20000000 个碎片，得到 1999998 个奖励，但是在我电脑上一次运行结果如下

{'piece_count': 20000000, 'reward_count': 1999987}

总的碎片数量与预期一致，但是奖励数量却少了 12 个。碎片数量正确是因为在 Python 3.10.4 中，stat["piece_count"] += 1 是在 GIL 约束下原子性执行的。由于每次循环结束都可能切换执行线程，那么可能线程 t1 在某次循环结束时将 piece_count 加到 100，但是在下次循环开始模 10 判断前，Python 解释器切换到线程 t2 执行，t2 将 piece_count 加到 101，那么就会错过一次奖励。

总结

GIL 是 CPython 为了在多线程环境下为了维护解释器内部数据一致性而引入的，为了尽可能降低 GIL 的粒度，在 IO 操作和不涉及对象访问的 CPU 计算时会主动释放 GIL。最后，用户数据的一致性不能依赖 GIL，可能需要用户使用 Lock 或 RLock() 来保证数据的原子性访问。

参考文档

https://realpython.com/python-gil/ https://github.com/python/cpython/commit/074e5ed974be65fbcfe75a4c0529dbc53f13446f https://mail.python.org/pipermail/python-dev/2009-October/093321.html https://www.backblaze.com/blog/the-python-gil-past-present-and-future/