进程,线程,并行,并发,python 之 GIL详解

主要内容:
1.线程与进程
2.并发与并行
3.python GIL

1.进程与线程

  1. 进程:程序的一次执行

  2. 线程:CPU的基本调度单位

  3. 计算机的核心是CPU,它承担了所有的计算任务。

  4. 单个CPU[这里指的是单核CPU]一次只能运行一个任务。即:任一时刻,CPU总是运行一个进程,其他进程处于非运行状态。

  5. 一个进程可以包括多个线程。

  6. 一个进程的内存空间是共享的,每个线程都可以使用这些共享内存。

  7. 一个线程使用某些共享内存时,其他线程必须等它结束,才能使用这一块内存。

  8. 一个防止其它线程使用共享内存的简单方法,就是加一把锁。先到的人锁上门,后到的人看到上锁,就在门口排队,等锁打开再进去。这就叫"互斥锁"(Mutual exclusion,缩写 Mutex),防止多个线程同时读写某一块内存区域。

  9. 某些内存区域,只能供给固定数目的线程使用。这时的解决方法,就是在门口挂n把钥匙。进去的人就取一把钥匙,出来时再把钥匙挂回原处。后到的人发现钥匙架空了,就知道必须在门口排队等着了。这种做法叫做"信号量"(Semaphore),用来保证多个线程不会互相冲突。不难看出,mutex是semaphore的一种特殊情况(n=1时)。也就是说,完全可以用后者替代前者。但是,因为mutex较为简单,且效率高,所以在必须保证资源独占的情况下,还是采用这种设计。最后,如果你的时间不是很紧张,并且又想快速的提高,最重要的是不怕吃苦,建议你可以价位@762459510 ,那个真的很不错,很多人进步都很快,需要你不怕吃苦哦!大家可以去添加上看一下~

2.并行与并发

并行:多个CPU同时执行多个任务。每个程序是真的在两个不同的CPU内同时被执行。
并发:单个CPU交替处理多个任务。只有一个CPU,会交替处理多个程序,而不是同时执行,只不过因为CPU执行的速度过快,而会使得人们感到是在“同时”执行,执行的先后取决于各个程序对于时间片资源的争夺。

一个CPU[这里指的是单核CPU]永远不可能实现并行,即一个CPU不能同时运行多个程序,但是可以在随机分配的时间片内交替执行(并发)。

3.python GIL

Guido van Rossum(吉多·范罗苏姆)创建python时就只考虑到单核cpu,解决多线程之间数据完整性和状态同步的最简单方法自然就是加锁, 于是有了GIL这把超级大锁。因为cpython解析只允许拥有GIL全局解析器锁才能运行程序,这样就保证了保证同一个时刻只允许一个线程可以使用cpu。由于大量的程序开发者接收了这套机制,现在代码量越来越多,已经不容易通过c代码去解决这个问题。

全局解释器所(global interpreter lock),每个线程在执行时候都需要先获取GIL,保证同一时刻只有一个线程可以执行代码,即同一时刻只有一个线程使用CPU,也就是说多线程并不是真正意义上的同时执行。

在这里插入图片描述

那么,如何解决GIL锁的问题呢?

1.更换cpython为jpython(不建议)
2.使用多进程完成多线程的任务
3.在使用多线程可以使用c语言去实现

问题1: 什么时候会释放Gil锁

1 遇到像 i/o操作这种 会有时间空闲情况 造成cpu闲置的情况会释放Gil
2 会有一个专门ticks进行计数 一旦ticks数值达到100 这个时候释放Gil锁 线程之间开始竞争Gil锁(说明:ticks这个数值可以进行设置来延长或者缩减获得Gil锁的线程使用cpu的时间)。最后,如果你的时间不是很紧张,并且又想快速的提高,最重要的是不怕吃苦,建议你可以价位@762459510 ,那个真的很不错,很多人进步都很快,需要你不怕吃苦哦!大家可以去添加上看一下~

问题2: 互斥锁和Gil锁的关系

Gil锁 : 保证同一时刻只有一个线程能使用到cpu
互斥锁 : 多线程时,保证修改共享数据时有序的修改,不会产生数据修改混乱

首先假设只有一个进程,这个进程中有两个线程 Thread1,Thread2, 要修改共享的数据date, 并且有互斥锁
执行以下步骤:
(1)多线程运行,假设Thread1获得GIL可以使用cpu,这时Thread1获得 互斥锁lock,Thread1可以改date数据(但并没有开始修改数据)
(2)Thread1线程在修改date数据前发生了 i/o操作 或者 ticks计数满100 (注意就是没有运行到修改data数据),这个时候 Thread1 让出了Gil,Gil锁可以被竞争
(3) Thread1 和 Thread2 开始竞争 Gil (注意:如果Thread1是因为 i/o 阻塞 让出的Gil Thread2必定拿到Gil,如果Thread1是因为ticks计数满100让出Gil 这个时候 Thread1 和 Thread2 公平竞争)
(4)假设 Thread2正好获得了GIL, 运行代码去修改共享数据date,由于Thread1有互斥锁lock,所以Thread2无法更改共享数据date,这时Thread2让出Gil锁 , GIL锁再次发生竞争
(5)假设Thread1又抢到GIL,由于其有互斥锁Lock所以其可以继续修改共享数据data,当Thread1修改完数据释放互斥锁lock,
Thread2在获得GIL与lock后才可对data进行修改

以上描述了 互斥锁和Gil锁的 一个关系

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