Находки в опенсорсе: “Что такое GIL в Python? Кажется, один из золотых вопросов для всех пит…”

Что такое GIL в Python?

Кажется, один из золотых вопросов для всех питонистов на собеседованиях.
Обычно, на встречный вопрос "а что конкретно в питоне является GIL?" не может ответить ни один спрашивающий.

Сегодня мы закроем данный пробел в знаниях питонистов.

Global Interpreter Lock не позволяет более чем одному треду работать с Python API за раз. Его можно отключить через --disable-gil в 3.13+, но сегодня мы про такое не будем.

Обратите внимание на ключевую фразу "c Python API". С системными треды могут и должны работать в режиме настоящей параллельности, без GIL. Что и позволяет получить ускорение при использовании threading, когда C код поддерживает такой способ.

Знакомьтесь – вот структура GIL _gil_runtime_state и поведение в ceval_gil.c.

Как можно отпустить GIL?

На уровне C есть макросы: Py_BEGIN_ALLOW_THREADS и Py_END_ALLOW_THREADS, которые отпускают GIL в нужных местах. Пример из модуля mmap:


Py_BEGIN_ALLOW_THREADS
m_obj->data = mmap(NULL, map_size, prot, flags, fd, offset);
Py_END_ALLOW_THREADS

Или time.sleep, который тоже дает работать другим тредам, пока ждет.

Что происходит, когда мы используем данный макрос? Они разворачиваются в:


{
    PyThreadState *_save;
    _save = PyEval_SaveThread();
    // your code here
    PyEval_RestoreThread(_save);
}

PyThreadState является текущим состоянием треда в CPython. Внутри хранится много контекста. Нас особо сильно интересует часть с полями про GIL:


struct PyThreadState {
    struct {
        unsigned int initialized:1;
        /* Has been bound to an OS thread. */
        unsigned int bound:1;
        /* Has been unbound from its OS thread. */
        unsigned int unbound:1;
        /* Has been bound aa current for the GILState API. */
        unsigned int bound_gilstate:1;
        /* Currently in use (maybe holds the GIL). */
        unsigned int active:1;
        /* Currently holds the GIL. */
        unsigned int holds_gil:1;
    } _status;

    // Thread state (_Py_THREAD_ATTACHED, _Py_THREAD_DETACHED, _Py_THREAD_SUSPENDED).
    int state;

    // ...
}

Когда вызывается PyEval_SaveThread и GIL отпускается, то на самом деле мы просто помечаем текущий PyThreadState как:


tstate->_status.active = 0;
tstate->_status.unbound = 1;
tstate->_status.holds_gil = 0;
tstate->state = detached_state;

И вызываем _PyEval_ReleaseLock, который уже правильно изменит _gil_runtime_state.
Как итог – текущий стейт теряет возможность вызывать какие-либо Python АПИ. Даже, например Py_DECREF, и в тредах есть свой refcount, который работает локально, чтобы можно было его вызывать без GIL.

Как треды берут GIL?

Смотрим на thread_run из _threadmodule.c.


_PyThreadState_Bind(tstate);
PyEval_AcquireThread(tstate);
_Py_atomic_add_ssize(&tstate->interp->threads.count, 1);

Там используется PyEval_AcquireThread, который берет GIL в конкретном треде для работы с Python API.
И дальше – отпускаем.

В следующих сериях поговорим про переключение тредов, ParkingLot API, Mutex'ы и прочее.
Обсуждение: сталкивались ли вы на собесах с вопросами про GIL? Стало ли теперь понятнее?

| Поддержать | YouTube | GitHub | Чат |