python 3.7 多线程中的 GIL 行为

我正在研究并尝试了解 python GIL 以及在 python 中使用多线程的最佳实践。我发现这个演示文稿 https://www.dabeaz.com/python/UnderstandingGIL.pdf and 这个视频 https://www.youtube.com/watch?v=Obt-vMVdM8s

我试图重现演示文稿前 4 张幻灯片中提到的奇怪而疯狂的问题。视频中（前4分钟）讲师也提到了这个问题。 我写了这个简单的代码来重现问题

from threading import Thread
from time import time

BIG_NUMBER = 100000
count = BIG_NUMBER


def countdown(n):
    global count
    for i in range(n):
        count -= 1


start = time()
countdown(count)
end = time()
print('Without Threading: Final count = {final_n}, Execution Time = {exec_time}'.format(final_n=count, exec_time=end - start))

count = BIG_NUMBER
a = Thread(target=countdown, args=(BIG_NUMBER//2,))
b = Thread(target=countdown, args=(BIG_NUMBER//2,))
start = time()
a.start()
b.start()
a.join()
b.join()
end = time()
print('With Threading: Final count = {final_n}, Execution Time = {exec_time}'.format(final_n=count, exec_time=end - start))

但结果与论文和视频完全不同！ 使用线程和不使用线程的执行时间几乎相同。有时，两种情况中的一种比另一种快一些。

这是我在 Windows 10 下使用多核架构处理器使用 CPython 3.7.3 得到的结果。

Without Threading: Final count = 0, Execution Time = 0.02498459815979004
With Threading: Final count = 21, Execution Time = 0.023985862731933594

另外，根据视频和论文，我了解到 GIL 阻止两个内核同时真正并行执行两个线程。所以如果这是真的，为什么最终计数变量（在多线程情况下）不按预期为零，并且在每次执行结束时可能由于同时操作线程而成为不同的数字？ 在比视频和论文（使用 python 3.2）更新的 python 中，GIL 发生了什么变化导致这些不同吗？ 提前致谢

Python 不直接执行。它首先被编译成所谓的Python字节码 https://docs.python.org/3/library/dis.html。该字节码的思想与原始汇编类似。字节码被执行。

GIL 的作用是不允许两个字节码指令并行运行。尽管某些操作（例如 io）确实会在内部释放 GIL 以允许真正的并发，但可以证明它不会破坏任何东西。

现在你所需要知道的是count -= 1 does not编译成单个字节码指令。它实际上编译成4条指令

LOAD_GLOBAL              1 (count)
LOAD_CONST               1 (1)
INPLACE_SUBTRACT
STORE_GLOBAL             1 (count)

这大致意味着

load global variable into local variable
load 1 into local variable
subtract 1 from local variable
set global to the current local variable

这些指令中的每一个is原子。但是顺序可以通过线程混合，这就是为什么你看到的就是你所看到的。

那么 GIL 的作用就是使执行流程串行化。这意味着指令相继发生，没有什么是平行的。因此，理论上，当您运行多个线程时，它们将执行与单线程相同的操作，减去花费在（所谓的）上下文切换上的时间。我在Python3.6中的测试确认执行时间是相似的。

然而，在 Python2.7 中，我的测试显示线程性能显着下降，大约是 1.5 倍。我不知道这是为什么。 GIL 以外的事情必须在后台发生。