解释 Python 的 GIL(全局解释器锁)机制及其对多线程的影响。
什么是全局解释器锁 (GIL)?
全局解释器锁(GIL)是CPython解释器(官方且最常用的Python解释器)中的一个互斥锁(mutex),它保护对Python对象的访问,防止多个线程同时执行Python字节码。
简单来说,GIL的存在意味着在任何一个时间点,只有一个线程能够真正地在CPU上执行Python代码,即使是在多核处理器上也是如此。
GIL 的设计初衷
要理解GIL,我们需要回顾一下CPython的内存管理机制。CPython使用引用计数来作为主要的垃圾回收机制。
每个Python对象都有一个与之关联的引用计数值,当这个计数值变为0时,对象的内存就会被释放。
想象一下如果没有GIL,在多核处理器上,两个线程同时尝试增加或减少同一个Python对象的引用计数。例如:
-
线程A读取一个对象的引用计数值为2。
-
线程B也读取这个对象的引用计数值为2。
-
线程A将计数值加1,然后写回内存,计数值变为3。
-
线程B也将计数值加1,然后写回内存,计数值也变为3。
我们期望的结果是计数值变为4,但由于线程B覆盖了线程A的操作,导致结果错误。
这种情况被称为“竞态条件”(Race Condition),它会导致内存泄漏(对象永远不会被回收)或者程序崩溃(过早地释放了还在使用的对象)。
为了解决这个核心问题,CPython的开发者引入了GIL。GIL作为一个简单而有效的解决方案,通过确保任何时候只有一个线程能执行Python字节码,从而保护了所有Python对象和内部数据结构,使得CPython的内存管理变得简单和安全。
GIL 对多线程的影响
GIL的存在对Python多线程程序有着深远的影响,但这种影响因任务类型而异,主要分为**CPU密集型(CPU-bound)和I/O密集型(I/O-bound)**两类。