GIL初体验
先来看下面的代码
def reduce_num(n):
while n > 0:
n -= 1
现在，假设一个很大的数字 n = 100000000，我们先来试试单线程的情况下执行 reduce_num(n)。在我手上这台号称 8 核的 MacBook 上执行后，我发现它的耗时为 5.3s。
这时，我们想要用多线程来加速，比如下面这几行操作：
from threading import Thread
n = 100000000
t1 = Thread(target=reduce_num, args=[n // 2])
t2 = Thread(target=reduce_num, args=[n // 2])
t1.start()
t2.start()
t1.join()
t2.join()
我又在同一台机器上跑了一下，结果发现，这不仅没有得到速度的提升，反而让运行变慢，总共花了 9.4s。
我还是不死心，决定使用四个线程再试一次，结果发现运行时间还是 9.8s，和 2 个线程的结果几乎一样。
这是怎么回事呢？难道是我买了假的 MacBook 吗？你可以先自己思考一下这个问题，也可以在自己电脑上测试一下。我当然也要自我反思一下，并且提出了下面两个猜想。
第一个怀疑：我的机器出问题了吗？这不得不说也是一个合理的猜想。因此我又找了一个单核 CPU 的台式机，跑了一下上面的实验。这次我发现，在单核 CPU 电脑上，单线程运行需要 11s 时间，2 个线程运行也是 11s 时间。
虽然不像第一台机器那样，多线程反而比单线程更慢，但是这两次整体效果几乎一样呀！看起来，这不像是电脑的问题，而是 Python 的线程失效了，没有起到并行计算的作用。
顺理成章，我又有了第二个怀疑：Python 的线程是不是假的线程？
Python 的线程，的的确确封装了底层的操作系统线程，在 Linux 系统里是 Pthread（全称为 POSIX Thread），而在 Windows 系统里是 Windows Thread。
另外，Python 的线程，也完全受操作系统管理，比如协调何时执行、管理内存资源、管理中断等等。
为什么会有GIL
看来我的两个猜想，都不能解释开头的这个未解之谜。那究竟谁才是“罪魁祸首”呢？事实上，正是我们今天的主角，也就是 GIL，导致了 Python 线程的性能并不像我们期望的那样。
GIL，是最流行的 Python 解释器 CPython 中的一个技术术语。它的意思是全局解释器锁，本质上是类似操作系统的 Mutex。每一个 Python 线程，在 CPython 解释器中执行时，都会先锁住自己的线程，阻止别的线程执行。
当然，CPython 会做一些小把戏，轮流执行 Python 线程。这样一来，用户看到的就是“伪并行”——Python 线程在交错执行，来模拟真正并行的线程。
CPython 使用引用计数来管理内存，所有 Python 脚本中创建的实例，都会有一个引用计数，来记录有多少个指针指向它。当引用计数只有 0 时，则会自动释放内存。
什么意思呢？我们来看下面这个例子：
import sys
a = []
b = a
sys.getrefcount(a)
输出结果为3
这个例子中，a 的引用计数是 3，因为有 a、b 和作为参数传递的 getrefcount 这三个地方，都引用了一个空列表。
这样一来，如果有两个 Python 线程同时引用了 a，就会造成引用计数的 race condition，引用计数可能最终只增加 1，这样就会造成内存被污染。因为第一个线程结束时，会把引用计数减少 1，这时可能达到条件释放内存，当第二个线程再试图访问 a 时，就找不到有效的内存了。
所以说，CPython 引进 GIL 其实主要就是这么两个原因：
一是设计者为了规避类似于内存管理这样的复杂的竞争风险问题（race condition）；
二是因为 CPython 大量使用 C 语言库，但大部分 C 语言库都不是原生线程安全的（线程安全会降低性能和增加复杂度）。
GIL 是如何工作的？
下面这张图，就是一个 GIL 在 Python 程序的工作示例。其中，Thread 1、2、3 轮流执行，每一个线程在开始执行时，都会锁住 GIL，以阻止别的线程执行；同样的，每一个线程执行完一段后，会释放 GIL，以允许别的线程开始利用资源。
细心的你可能会发现一个问题：为什么 Python 线程会去主动释放 GIL 呢？毕竟，如果仅仅是要求 Python 线程在开始执行时锁住 GIL，而永远不去释放 GIL，那别的线程就都没有了运行的机会。
没错，CPython 中还有另一个机制，叫做 check_interval，意思是 CPython 解释器会去轮询检查线程 GIL 的锁住情况。每隔一段时间，Python 解释器就会强制当前线程去释放 GIL，这样别的线程才能有执行的机会。
不同版本的 Python 中，check interval 的实现方式并不一样。早期的 Python 是 100 个 ticks，大致对应了 1000 个 bytecodes；而 Python 3 以后，interval 是 15 毫秒。当然，我们不必细究具体多久会强制释放 GIL，这不应该成为我们程序设计的依赖条件，我们只需明白，CPython 解释器会在一个“合理”的时间范围内释放 GIL 就可以了。
整体来说，每一个 Python 线程都是类似这样循环的封装，我们来看下面这段代码：
for (;;) {
if (--ticker < 0) {
ticker = check_interval;
/* Give another thread a chance */
PyThread_release_lock(interpreter_lock);
/* Other threads may run now */
PyThread_acquire_lock(interpreter_lock, 1);
}
bytecode = *next_instr++;
switch (bytecode) {
/* execute the next instruction ... */
}
}
从这段代码中，我们可以看到，每个 Python 线程都会先检查 ticker 计数。只有在 ticker 大于 0 的情况下，线程才会去执行自己的 bytecode。
Python 的线程安全
不过，有了 GIL，并不意味着我们 Python 编程者就不用去考虑线程安全了。即使我们知道，GIL 仅允许一个 Python 线程执行，但前面我也讲到了，Python 还有 check interval 这样的抢占机制。我们来考虑这样一段代码：
import threading
n = 0
def foo():
global n
n += 1
threads = []
for i in range(100):
t = threading.Thread(target=foo)
threads.append(t)
for t in threads:
t.start()
for t in threads:
t.join()
print(n)
本文使用 mdnice 排版
如果你执行的话，就会发现，尽管大部分时候它能够打印 100，但有时侯也会打印 99 或者 98。
这其实就是因为，n+=1这一句代码让线程并不安全。如果你去翻译 foo 这个函数的 bytecode，就会发现，它实际上由下面四行 bytecode 组成：
>>> import dis
>>> dis.dis(foo)
LOAD_GLOBAL 0 (n)
LOAD_CONST 1 (1)
INPLACE_ADD
STORE_GLOBAL 0 (n)
而这四行 bytecode 中间都是有可能被打断的！
所以，千万别想着，有了 GIL 你的程序就可以高枕无忧了，我们仍然需要去注意线程安全。正如我开头所说，GIL 的设计，主要是为了方便 CPython 解释器层面的编写者，而不是 Python 应用层面的程序员。作为 Python 的使用者，我们还是需要 lock 等工具，来确保线程安全。比如我下面的这个例子：
n = 0
lock = threading.Lock()
def foo():
global n
with lock:
n += 1
