从伪并行的 Python 多线程说起

2018-03-10 | Tech

写在前面

  • 作者电脑 CPU 为 4 核，因此使用 4 个线程测试是合理的
  • 本文使用的 cpython 版本为 3.6.4
  • 本文使用的 pypy 版本为 5.9.0-beta0，兼容 Python 3.5 语法
  • 本文使用的 jython 版本为 2.7.0，兼容 Python 2.7 语法
  • 若无特殊说明，作语言解时，python 指 Python 语言；作解释器解时，python 指 cpython

本文使用的测速函数代码如下：

from __future__ import print_function

import sys
PY2 = sys.version_info[0] == 2

# 因为 Jython 不兼容 Python 3 语法，此处必须 hack 掉 range 以保证都是迭代器版本
if PY2:
    range = xrange  # noqa

from time import time
from threading import Thread


def spawn_n_threads(n, target):
    """
    启动 n 个线程并行执行 target 函数
    """

    threads = []

    for _ in range(n):
        thread = Thread(target=target)
        thread.start()
        threads.append(thread)

    for thread in threads:
        thread.join()


def test(target, number=10, spawner=spawn_n_threads):
    """
    分别启动 1, 2, 3, 4 个控制流，重复 number 次，计算运行耗时
    """

    for n in (1, 2, 3, 4, ):

        start_time = time()
        for _ in range(number):  # 执行 number 次以减少偶然误差
            spawner(n, target)
        end_time = time()

        print('Time elapsed with {} branch(es): {:.6f} sec(s)'.format(n, end_time - start_time))

并行？伪并行？

学过操作系统的同学都知道，线程是现代操作系统底层一种轻量级的多任务机制。一个进程空间中可以存在多个线程，每个线程代表一条控制流，共享全局进程空间的变量，又有自己私有的内存空间。

多个线程可以同时执行。此处的“同时”，在较早的单核架构中表现为“伪并行”，即让线程以极短的时间间隔交替执行，从人的感觉上看它们就像在同时执行一样。但由于仅有一个运算单元，当线程皆执行计算密集型任务时，多线程可能会出现 1 + 1 > 2 的反效果。

而“真正的并行”只能在多核架构上实现。对于计算密集型任务，巧妙地使用多线程或多进程将其分配至多个 CPU 上，通常可以成倍地缩短运算时间。

作为一门优秀的语言，python 为我们提供了操纵线程的库 threading。使用 threading，我们可以很方便地进行并行编程。但下面的例子可能会让你对“并行”的真实性产生怀疑。

假设我们有一个计算斐波那契数列的函数：

def fib():

    a = b = 1

    for i in range(100000):
        a, b = b, a + b

此处我们不记录其结果，只是为了让它产生一定的计算量，使运算时间开销远大于线程创建、切换的时间开销。现在我们执行 test(fib)，尝试在不同数量的线程中执行这个函数。如果线程是“真并行”，时间开销应该不会随线程数大幅上涨。但执行结果却让我们大跌眼镜：

# CPython，fib
Time elapsed with 1 branch(es): 1.246095 sec(s)
Time elapsed with 2 branch(es): 2.535884 sec(s)
Time elapsed with 3 branch(es): 3.837506 sec(s)
Time elapsed with 4 branch(es): 5.107638 sec(s)

从结果中可以发现：时间开销几乎是正比于线程数的！这明显和多核架构的“真并行”相矛盾。这是为什么呢？

一切的罪魁祸首都是一个叫 GIL 的东西。

GIL

GIL 是什么

GIL 的全名是 the Global Interpreter Lock（全局解释锁），是常规 python 解释器（当然，有些解释器没有）的核心部件。我们看看官方的解释：

The Python interpreter is not fully thread-safe. In order to support multi-threaded Python programs, there’s a global lock, called the global interpreter lock or GIL, that must be held by the current thread before it can safely access Python objects.

– via Python 3.6.4 Documentation

可见，这是一个用于保护 Python 内部对象的全局锁（在进程空间中唯一），保障了解释器的线程安全。

这里用一个形象的例子来说明 GIL 的必要性（对资源抢占问题非常熟悉的可以跳过不看）：

我们把整个进程空间看做一个车间，把线程看成是多条不相交的流水线，把线程控制流中的字节码看作是流水线上待处理的物品。Python 解释器是工人，整个车间仅此一名。操作系统是一只上帝之手，会随时把工人从一条流水线调到另一条——这种“随时”是不由分说的，即不管处理完当前物品与否。

若没有 GIL。假设工人正在流水线 A 处理 A1 物品，根据 A1 的需要将房间温度（一个全局对象）调到了 20 度。这时上帝之手发动了，工人被调到流水线 B 处理 B1 物品，根据 B1 的需要又将房间温度调到了 50 度。这时上帝之手又发动了，工人又调回 A 继续处理 A1。但此时 A1 暴露在了 50 度的环境中，安全问题就此产生了。

而 GIL 相当于一条锁链，一旦工人开始处理某条流水线上的物品，GIL 便会将工人和该流水线锁在一起。而被锁住的工人只会处理该流水线上的物品。就算突然被调到另一条流水线，他也不会干活，而是干等至重新调回原来的流水线。这样每个物品在被处理的过程中便总是能保证全局环境不会突变。

GIL 保证了线程安全性，但很显然也带来了一个问题：每个时刻只有一条线程在执行，即使在多核架构中也是如此——毕竟，解释器只有一个。如此一来，单进程的 Python 程序便无法利用到多核的优势了。

验证

为了验证确实是 GIL 搞的鬼，我们可以用不同的解释器再执行一次。这里使用 pypy（有 GIL）和 jython（无 GIL）作测试：

# PyPy, fib
Time elapsed with 1 branch(es): 0.868052 sec(s)
Time elapsed with 2 branch(es): 1.706454 sec(s)
Time elapsed with 3 branch(es): 2.594260 sec(s)
Time elapsed with 4 branch(es): 3.449946 sec(s)
# Jython, fib
Time elapsed with 1 branch(es): 2.984000 sec(s)
Time elapsed with 2 branch(es): 3.058000 sec(s)
Time elapsed with 3 branch(es): 4.404000 sec(s)
Time elapsed with 4 branch(es): 5.357000 sec(s)

从结果可以看出，用 pypy 执行时，时间开销和线程数也是几乎成正比的；而 jython 的时间开销则是以较为缓慢的速度增长的。jython 由于下面还有一层 JVM，单线程的执行速度很慢，但在线程数达到 4 时，时间开销只有单线程的两倍不到，仅仅稍逊于 cpython 的 4 线程运行结果（5.10 secs）。由此可见，GIL 确实是造成伪并行现象的主要因素。

如何解决？

GIL 是 Python 解释器正确运行的保证，Python 语言本身没有提供任何机制访问它。但在特定场合，我们仍有办法降低它对效率的影响。

使用多进程

线程间会竞争资源是因为它们共享同一个进程空间，但进程的内存空间是独立的，自然也就没有必要使用解释锁了。

许多人非常忌讳使用多进程，理由是进程操作（创建、切换）的时间开销太大了，而且会占用更多的内存。这种担心其实没有必要——除非是对并发量要求很高的应用（如服务器），多进程增加的时空开销其实都在可以接受的范围中。更何况，我们可以使用进程池减少频繁创建进程带来的开销。

下面新建一个 spawner，以演示多进程带来的性能提升：

from multiprocessing import Process


def spawn_n_processes(n, target):

    threads = []

    for _ in range(n):
        thread = Process(target=target)
        thread.start()
        threads.append(thread)

    for thread in threads:
        thread.join()

使用 cpython 执行 test(fib, spawner=spawn_n_processes)，结果如下：

# CPython, fib, multi-processing
Time elapsed with 1 branch(es): 1.260981 sec(s)
Time elapsed with 2 branch(es): 1.343570 sec(s)
Time elapsed with 3 branch(es): 2.183770 sec(s)
Time elapsed with 4 branch(es): 2.732911 sec(s)

可见这里出现了“真正的并行”，程序效率得到了提升。

使用 C 扩展

GIL 并不是完全的黑箱，CPython 在解释器层提供了控制 GIL 的开关——这就是 Py_BEGIN_ALLOW_THREADS 和 Py_END_ALLOW_THREADS 宏。这一对宏允许你在自定义的 C 扩展中释放 GIL，从而可以重新利用多核的优势。

沿用上面的例子，自定义的 C 扩展函数好比是流水线上一个特殊的物品。这个物品承诺自己不依赖全局环境，同时也不会要求工人去改变全局环境。同时它带有 Py_BEGIN_ALLOW_THREADS 和 Py_END_ALLOW_THREADS 两个机关，前者能砍断 GIL 锁链，这样工人被调度走后不需要干等，而是可以直接干活；后者则将锁链重新锁上，保证操作的一致性。

这里同样用一个 C 扩展做演示。由于 C 实现的斐波那契数列计算过快，此处采用另一个计算 PI 的函数：

// cfib.c
#include <python3.6m/Python.h>

static PyObject* fib(PyObject* self, PyObject* args)
{
    Py_BEGIN_ALLOW_THREADS
    double n = 90000000, i;
    double s = 1;
    double pi = 3;

    for (i = 2; i <= n * 2; i += 2) {
        pi = pi + s * (4 / (i * (i + 1) * (i + 2)));
        s = -s;
    }
    Py_END_ALLOW_THREADS
    return Py_None;
}

// 模块初始化代码略去

使用 cpython 执行 test(cfib.fib)，结果如下：

# CPython, cfib, non-GIL
Time elapsed with 1 branch(es): 1.334247 sec(s)
Time elapsed with 2 branch(es): 1.439759 sec(s)
Time elapsed with 3 branch(es): 1.603779 sec(s)
Time elapsed with 4 branch(es): 1.689330 sec(s)

若注释掉以上两个宏，则结果如下：

# CPython, cfib, with-GIL
Time elapsed with 1 branch(es): 1.331415 sec(s)
Time elapsed with 2 branch(es): 2.671651 sec(s)
Time elapsed with 3 branch(es): 4.022696 sec(s)
Time elapsed with 4 branch(es): 5.337917 sec(s)

可见其中的性能差异。因此当你想做一些计算密集型任务时，不妨尝试用 C 实现，以此规避 GIL。

值得注意的是，一些著名的科学计算库（如 numpy）为了提升性能，其底层也是用 C 实现的，并且会在做一些线程安全操作（如 numpy 的数组操作）时释放 GIL。因此对于这些库，我们可以放心地使用多线程。以下是一个例子：

import numpy


def np_example():
    ones = numpy.ones(10000000)
    numpy.exp(ones)

用 CPython 执行 test(np_example) 结果如下：

# CPython, np_example
Time elapsed with 1 branch(es): 3.708392 sec(s)
Time elapsed with 2 branch(es): 2.462703 sec(s)
Time elapsed with 3 branch(es): 3.578331 sec(s)
Time elapsed with 4 branch(es): 4.276800 sec(s)

让线程做该做的事

读到这，有同学可能会奇怪了：我在使用 python 多线程写爬虫时可从来没有这种问题啊——用 4 个线程下载 4 个页面的时间与单线程下载一个页面的时间相差无几。

这里就要谈到 GIL 的第二种释放时机了。除了调用 Py_BEGIN_ALLOW_THREADS，解释器还会在发生阻塞 IO（如网络、文件）时释放 GIL。发生阻塞 IO 时，调用方线程会被挂起，无法进行任何操作，直至内核返回；IO 函数一般是原子性的，这确保了调用的线程安全性。因此在大多数阻塞 IO 发生时，解释器没有理由加锁。

以爬虫为例：当 Thread1 发起对 Page1 的请求后，Thread1 会被挂起，此时 GIL 释放。当控制流切换至 Thread2 时，由于没有 GIL，不必干等，而是可以直接请求 Page2……如此一来，四个请求可以认为是几乎同时发起的。时间开销便与单线程请求一次一样。

有人反对使用阻塞 IO，因为若想更好利用阻塞时的时间，必须使用多线程或进程，这样会有很大的上下文切换开销，而非阻塞 IO + 协程显然是更经济的方式。但当若干任务之间没有偏序关系时，一个任务阻塞是可以接受的（毕竟不会影响到其他任务的执行），同时也会简化程序的设计。而在一些通信模型（如 Publisher-Subscriber）中，“阻塞”是必要的语义。

多个阻塞 IO 需要多条非抢占式的控制流来承载，这些工作交给线程再合适不过了。

小结

  1. 由于 GIL 的存在，大多数情况下 Python 多线程无法利用多核优势。
  2. C 扩展中可以接触到 GIL 的开关，从而规避 GIL，重新获得多核优势。
  3. IO 阻塞时，GIL 会被释放。

相关链接

  1. GlobalInterpreterLock - Python Wiki
  2. Blocking(computing) - Wikipedia
  3. Extending Python with C or C++
  4. PyPy
  5. Jython

作者：hsfzxjy
链接：
许可：CC BY-NC-ND 4.0.
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PythonMulti-ThreadingGIL
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