GIL 与 Python 线程的纠葛
GIL 是什么？它对 python 程序会产生怎样的影响？我们先来看一个问题。运行下面这段 python 代码，CPU 占用率是多少？
# 请勿在工作中模仿，危险:) def dead_loop(): while True: pass dead_loop()
答案是什么呢，占用 100％ CPU？那是单核！还得是没有超线程的古董 CPU。在我的双核 CPU 上，这个死循环只会吃掉我一个核的工作负荷，也就是只占用 50％ CPU。那如何能让它在双核机器上占用 100％ 的 CPU 呢？答案很容易想到，用两个线程就行了，线程不正是并发分享 CPU 运算资源的吗。可惜答案虽然对了，但做起来可没那么简单。下面的程序在主线程之外又起了一个死循环的线程
import threading def dead_loop(): while True: pass # 新起一个死循环线程 t = threading.Thread(target=dead_loop) t.start() # 主线程也进入死循环 dead_loop() t.join()
按道理它应该能做到占用两个核的 CPU 资源，可是实际运行情况却是没有什么改变，还是只占了 50％ CPU 不到。这又是为什么呢？难道 python 线程不是操作系统的原生线程？打开 system monitor 一探究竟，这个占了 50% 的 python 进程确实是有两个线程在跑。那这两个死循环的线程为何不能占满双核 CPU 资源呢？其实幕后的黑手就是 GIL。
GIL 的迷思：痛并快乐着
GIL 的全程为 Global Interpreter Lock ，意即全局解释器锁。在 Python 语言的主流实现 CPython 中，GIL 是一个货真价实的全局线程锁，在解释器解释执行任何 Python 代码时，都需要先获得这把锁才行，在遇到 I/O 操作时会释放这把锁。如果是纯计算的程序，没有 I/O 操作，解释器会每隔 100 次操作就释放这把锁，让别的线程有机会执行（这个次数可以通过 sys.setcheckinterval 来调整）。所以虽然 CPython 的线程库直接封装操作系统的原生线程，但 CPython 进程做为一个整体，同一时间只会有一个获得了 GIL 的线程在跑，其它的线程都处于等待状态等着 GIL 的释放。这也就解释了我们上面的实验结果：虽然有两个死循环的线程，而且有两个物理 CPU 内核，但因为 GIL 的限制，两个线程只是做着分时切换，总的 CPU 占用率还略低于 50％。
看起来 python 很不给力啊。GIL 直接导致 CPython 不能利用物理多核的性能加速运算。那为什么会有这样的设计呢？我猜想应该还是历史遗留问题。多核 CPU 在 1990 年代还属于类科幻，Guido van Rossum 在创造 python 的时候，也想不到他的语言有一天会被用到很可能 1000＋ 个核的 CPU 上面，一个全局锁搞定多线程安全在那个时代应该是最简单经济的设计了。简单而又能满足需求，那就是合适的设计（对设计来说，应该只有合适与否，而没有好与不好）。怪只怪硬件的发展实在太快了，摩尔定律给软件业的红利这么快就要到头了。短短 20 年不到，代码工人就不能指望仅仅靠升级 CPU 就能让老软件跑的更快了。在多核时代，编程的免费午餐没有了。如果程序不能用并发挤干每个核的运算性能，那就意谓着会被淘汰。对软件如此，对语言也是一样。那 Python 的对策呢？
Python 的应对很简单，以不变应万变。在最新的 python 3 中依然有 GIL。之所以不去掉，原因嘛，不外以下几点：
欲练神功，挥刀自宫：
CPython 的 GIL 本意是用来保护所有全局的解释器和环境状态变量的。如果去掉 GIL，就需要多个更细粒度的锁对解释器的众多全局状态进行保护。或者采用 Lock-Free 算法。无论哪一种，要做到多线程安全都会比单使用 GIL 一个锁要难的多。而且改动的对象还是有 20 年历史的 CPython 代码树，更不论有这么多第三方的扩展也在依赖 GIL。对 Python 社区来说，这不异于挥刀自宫，重新来过。
就算自宫，也未必成功：
有位牛人曾经做了一个验证用的 CPython，将 GIL 去掉，加入了更多的细粒度锁。但是经过实际的测试，对单线程程序来说，这个版本有很大的性能下降，只有在利用的物理 CPU 超过一定数目后，才会比 GIL 版本的性能好。这也难怪。单线程本来就不需要什么锁。单就锁管理本身来说，锁 GIL 这个粗粒度的锁肯定比管理众多细粒度的锁要快的多。而现在绝大部分的 python 程序都是单线程的。再者，从需求来说，使用 python 绝不是因为看中它的运算性能。就算能利用多核，它的性能也不可能和 C/C++ 比肩。费了大力气把 GIL 拿掉，反而让大部分的程序都变慢了，这不是南辕北辙吗。