python多线程比单线程效率低的原因及其解决方案
作者:易爻64
python多线程比单线程效率低的原因
Python语言的标准实现叫作CPython,它分两步来运行Python程序
步骤1:解析源代码文本,并将其编译成字节码(bytecode)
- 字节码是一种底层代码,可以把程序表示成8位的指令
- 从Python 3.6开始,这种底层代码实际上已经变成16位了
步骤2:CPython采用基于栈的解释器来运行字节码。
- 字节码解释器在执行Python程序的过程中,必须确保相关的状态不受干扰,
- CPython会用一种叫作全局解释器锁(global interpreter lock,GIL)的机制来实现运行的python程序的相关状态不受干扰
GIL
GIL实际上就是一种互斥锁(mutual-exclusion lock,mutex),用来防止CPython的状态在抢占式的多线程环境(preemptive multithreading)之中受到干扰,因为在这种环境下,一条线程有可能突然打断另一条线程抢占程序的控制权。如果这种抢占行为来得不是时候,那么解释器的状态(例如为垃圾回收工作而设立的引用计数等)就会遭到破坏。
CPython要通过GIL阻止这样的动作,以确保它自身以及它的那些C扩展模块能够正确地执行每一条字节码指令。
GIL会产生一个很不好的影响。在C++与Java这样的语言里面,如果程序之中有多个线程能够分头执行任务,那么就可以把CPU的各个核心充分地利用起来。尽管Python也支持多线程,但这些线程受GIL约束,所以每次或许只能有一条线程向前推进,而无法实现多头并进。
所以,想通过多线程做并行计算或是给程序提速的开发者,恐怕要失望了。
- 并发 concurrency : 指计算机似乎能在同一时刻做许多不同的事情
- 并行 parallelism : 指计算机确实能够在同一时刻做许多不同的事情
多线程下的线程执行
- 获取GIL
- 执行代码直到sleep或者是 python虚拟机将其挂起。
- 释放 GIL
多线程效率低于单线程原因
如上我们可以知道,在 python中想要某个线程要执行必须先拿到 GIL这把锁,且 python只有一个 GIL,拿到这个 GIL才能进入 CPU执行, 在遇到 I/O操作时会释放这把锁。如果是纯计算的程序,没有 I/O 操作,解释器会每隔 100次操作就释放这把锁,让别的线程有机会 执行(这个次数可以通sys.setcheckinterval来调整)。所以虽然 CPython 的线程库直接封装操作系统的原生线程,但 CPython 进程做为一个整体,同一时间只会有一个获得了 GIL 的线程在跑,其它的线程都处于等待状态等着 GIL 的释放。
而每次释放 GIL锁,线程进行锁竞争、切换线程,会消耗资源。并且由于 GIL锁存在,python里一个进程永远只能同时执行一个线程 (拿到 GIL的线程才能执行 ),这就是为什么在多核 CPU上, python的多线程效率并不高
多线程效率低于或高于单线程原因
相同的代码,为何有时候多线程会比单线程慢,有时又会比单线程快? 这主要跟运行的代码有关:
CPU密集型代码(各种循环处理、计数等等 ),在这种情况下,由于计算工作多, ticks计数很快就会达到 100阈值,然后触发 GIL的释放与再竞争 (多个线程来回切换当然是需要消耗资源的),所以 python下的多线程遇到 CPU密集型代码时,单线程比多线程效率高。
IO密集型代码 (文件处理、网络爬虫等 ),多线程能够有效提升效率单线程下有 IO操作会进行 IO等待,造成不必要的时间浪费。开启多线程能在线程 A等待时,自动切换到线程 B,可以不浪费 CPU的资源,从而能提升程序执行效率 。进行IO密集型的时候可以进行分时切换 所有这个时候多线程快过单线程
如果python想充分利用多核 CPU,可以采用多进程
每个进程有各自独立的 GIL,互不干扰,这样就可以真正意义上的并行执行。
在 python中,多进程的执行效率优于多线程 (仅仅针对多核 CPU而言 )。所以在多核 CPU下,想做并行提升效率,比较通用的方法是使用多进程,能够有效提高执行效率
代码示例:
# 多线程 # 最后完成的线程的耗时 # [TIME MEASURE] execute function: gene_1000_field took 3840.604ms @time_measure def mult_thread(rows): # 总行数 rows = rows # 线程数 batch_size = 4 cell = math.ceil(rows / batch_size) # 处理数据生成 print('数据生成中,线程数:' + str(batch_size)) threads = [] for i in range(batch_size): starts = i * cell ends = (i + 1) * cell file = f"my_data_{str(i)}.csv" # t = threading.Thread(target=gene_1000_field_test, args=(starts, ends, file)) t = threading.Thread(target=gene_1000_field, args=(starts, ends, file)) t.start() threads.append(t) # for t in threads: # t.join()
# 多进程 # [TIME MEASURE] execute function: gene_1000_field took 1094.776ms # 执行时间和单个线程的执行时间差不多,目的达到 @time_measure def mult_process(rows): # 总行数 rows = rows # 线程数 batch_size = 4 cell = math.ceil(rows / batch_size) # 处理数据生成 print('数据生成中,线程数:' + str(batch_size)) process = [] for i in range(batch_size): starts = i * cell ends = (i + 1) * cell file = f"my_data_{str(i)}.csv" # p = Process(target=f, args=('bob',)) # p.start() # p_lst.append(p) # t = threading.Thread(target=gene_1000_field_test, args=(starts, ends, file)) p = Process(target=gene_1000_field, args=(starts, ends, file)) p.start() process.append(p)
python中多线程与单线程的对比
# 做一个简单的爬虫: import threading import time import functools from urllib.request import urlopen # 写一个时间函数的装饰器 def timeit(f): @functools.wraps(f) def wrapper(*args,**kwargs): start_time=time.time() res=f(*args,**kwargs) end_time=time.time() print("%s函数运行时间:%.2f" % (f.__name__, end_time - start_time)) return res return wrapper def get_addr(ip): url="http://ip-api.com/json/%s"%(ip) urlobj=urlopen(url) # 服务端返回的页面信息, 此处为字符串类型 pagecontent=urlobj.read().decode('utf-8') # 2. 处理Json数据 import json # 解码: 将json数据格式解码为python可以识别的对象; dict_data = json.loads(pagecontent) print(""" ip : %s 所在城市: %s 所在国家: %s """ % (ip, dict_data['city'], dict_data['country'])) #不使用多线程 @timeit def main1(): ips = ['12.13.14.%s' % (i + 1) for i in range(10)] for ip in ips: get_addr(ip) # 多线程的方法一 @timeit def main2(): ips=['12.13.14.%s'%(i+1) for i in range(10)] threads=[] for ip in ips: t=threading.Thread(target=get_addr,args=(ip,)) threads.append(t) t.start() [thread.join() for thread in threads] # 多线程的方法二 class MyThread(threading.Thread): def __init__(self, ip): super(MyThread, self).__init__() self.ip = ip def run(self): url = "http://ip-api.com/json/%s" % (self.ip) urlObj = urlopen(url) # 服务端返回的页面信息, 此处为字符串类型 pageContent = urlObj.read().decode('utf-8') # 2. 处理Json数据 import json # 解码: 将json数据格式解码为python可以识别的对象; dict_data = json.loads(pageContent) print(""" %s 所在城市: %s 所在国家: %s """ % (self.ip, dict_data['city'], dict_data['country'])) @timeit def main3(): ips = ['12.13.14.%s' % (i + 1) for i in range(10)] threads = [] for ip in ips: t = MyThread(ip) threads.append(t) t.start() [thread.join() for thread in threads] if __name__ == '__main__': main1() main2() main3()
---->输出:
# main1函数运行时间:55.06
# main2函数运行时间:5.64
# main3函数运行时间:11.06
由次可以看出多线程确实速度快了很多,然而这只是适合I/O密集型,当计算密集型中cpu一直在占用的时候,多线程反而更慢。
下面举例
import threading import time def my_counter(): i = 1 for count in range(200000000): i = i + 2*count return True # 采用单线程 @timeit def main1(): thread_array = {} for tid in range(2): t = threading.Thread(target=my_counter) t.start() t.join() # 采用多线程 @timeit def main2(): thread_array = {} for tid in range(2): t = threading.Thread(target=my_counter) t.start() thread_array[tid] = t for i in range(2): thread_array[i].join() if __name__ == '__main__': main1() main2()
----->输出:
main1函数运行时间:27.57
main2函数运行时间:28.19
这个时候就能体现出来多线程适应的场景
总结
以上为个人经验,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持脚本之家。