如何正確區(qū)分Python線程
在Python語(yǔ)言中Python線程可以從這里開(kāi)始與主線程對(duì)GIL的競(jìng)爭(zhēng)，在t_bootstrap中，申請(qǐng)完了GIL，也就是說(shuō)子線程也就獲得了GIL，使其始終保存著活動(dòng)線程的狀態(tài)對(duì)象。
當(dāng)PyEval_AcquireThread結(jié)束之后，子線程也就獲得了GIL，并且做好了一切執(zhí)行的準(zhǔn)備。接下來(lái)子線程通過(guò)PyEval_ CallObjectWithKeywords，將最終調(diào)用我們已經(jīng)非常熟悉的PyEval_EvalFrameEx。
也就是Python的字節(jié)碼執(zhí)行引擎。傳遞進(jìn)PyEval_CallObjectWithKeywords的boot->func是一PyFunctionObject對(duì)象，正是therad1.py中定義的threadProc編譯后的結(jié)果。在PyEval_CallObjectWithKeywords結(jié)束之后，子線程將釋放GIL，并完成銷毀線程的所有掃尾工作，到了這里，子線程就結(jié)束了。
從t_bootstrap的代碼看上去，似乎子線程會(huì)一直執(zhí)行，直到子線程的所有計(jì)算都完成，才會(huì)通過(guò)PyThreadState_DeleteCurrent釋放GIL。如此一來(lái)，那主線程豈非一直都會(huì)處于等待GIL的狀態(tài)？如果真是這樣，那Python線程顯然就不可能支持多線程機(jī)制了。
實(shí)際上在PyEval_EvalFrameEx中，圖15-2中顯示的Python內(nèi)部維護(hù)的那個(gè)模擬時(shí)鐘中斷會(huì)不斷地激活線程的調(diào)度機(jī)制，在子線程和主線程之間不斷地進(jìn)行切換。從而真正實(shí)現(xiàn)多線程機(jī)制，當(dāng)然，這一點(diǎn)我們將在后面詳細(xì)剖析。現(xiàn)在我們感興趣的是子線程在PyEval_AcquireThreade中到底做了什么。
到這里，了解了PyEval_AcquireThread，似乎創(chuàng)建線程的機(jī)制都清晰了。但實(shí)際上，有一個(gè)非常重要的機(jī)制——線程狀態(tài)保護(hù)機(jī)制——隱藏在了一個(gè)毫不起眼的地方：PyThreadState_New。
- [threadmodule.c]
- static PyObject* thread_PyThread_start_new_thread(PyObject *self, PyObject
- *fargs)
- {
- PyObject *func, *args, *keyw = NULL;
- struct bootstate *boot;
- long ident;
- PyArg_UnpackTuple(fargs, "start_new_thread", 2, 3, &func, &args, &keyw);
- //[1]：創(chuàng)建bootstate結(jié)構(gòu)
- boot = PyMem_NEW(struct bootstate, 1);
- boot->interp = PyThreadState_GET()->interp;
- boot->funcfunc = func;
- boot->argsargs = args;
- boot->keywkeyw = keyw;
- //[2]：初始化多線程環(huán)境
- PyEval_InitThreads(); /* Start the interpreter's thread-awareness */
- //[3]：創(chuàng)建線程
- ident = PyThread_start_new_thread(t_bootstrap, (void*) boot);
- return PyInt_FromLong(ident);
- [thread.c]
- /* Support for runtime thread stack size tuning.
- A value of 0 means using the platform's default stack size
- or the size specified by the THREAD_STACK_SIZE macro. */
- static size_t _pythread_stacksize = 0;
- [thread_nt.h]
- long PyThread_start_new_thread(void (*func)(void *), void *arg)
- {
- unsigned long rv;
- callobj obj;
- obj.id = -1; /* guilty until proved innocent */
- obj.func = func;
- obj.arg = arg;
- obj.done = CreateSemaphore(NULL, 0, 1, NULL);
- rv = _beginthread(bootstrap, _pythread_stacksize, &obj); /* use default stack size */
- if (rv == (unsigned long)-1) {
- //創(chuàng)建raw thread失敗
- obj.id = -1;
- }
- else {
- WaitForSingleObject(obj.done, INFINITE);
- }
- CloseHandle((HANDLE)obj.done);
- return obj.id;
- }
這個(gè)機(jī)制對(duì)于理解Python線程的創(chuàng)建和維護(hù)是非常關(guān)鍵的。要剖析線程狀態(tài)的保護(hù)機(jī)制，我們首先需要回顧一下線程狀態(tài)。在Python中，每一個(gè)Python線程都會(huì)有一個(gè)線程狀態(tài)對(duì)象與之關(guān)聯(lián)。
在線程狀態(tài)對(duì)象中，記錄了每一個(gè)線程所獨(dú)有的一些信息。實(shí)際上，在剖析Python的初始化過(guò)程時(shí)，我們?cè)?jīng)見(jiàn)過(guò)這個(gè)對(duì)象。每一個(gè)線程對(duì)應(yīng)的線程狀態(tài)對(duì)象都保存著這個(gè)線程當(dāng)前的PyFrameObject對(duì)象，線程的id這樣一些信息。有時(shí)候，線程是需要訪問(wèn)這些信息的。
比如考慮一個(gè)最簡(jiǎn)單的情形，在某種情況下，每個(gè)線程都需要訪問(wèn)線程狀態(tài)對(duì)象中所保存的thread_id信息，顯然，線程A獲得的應(yīng)該是A的thread_id，線程B亦然。倘若線程A獲得的是B的thread_id，那就壞菜了。這就意味著Python線程內(nèi)部必須有一套機(jī)制，這套機(jī)制與操作系統(tǒng)管理進(jìn)程的機(jī)制非常類似。
我們知道，在操作系統(tǒng)從進(jìn)程A切換到進(jìn)程B時(shí)，首先會(huì)保存進(jìn)程A的上下文環(huán)境，再進(jìn)行切換；當(dāng)從進(jìn)程B切換回進(jìn)程A時(shí)，又會(huì)恢復(fù)進(jìn)程A的上下文環(huán)境，這樣就保證了進(jìn)程A始終是在屬于自己的上下文環(huán)境中運(yùn)行。
這里的線程狀態(tài)對(duì)象就等同于進(jìn)程的上下文，Python同樣會(huì)有一套存儲(chǔ)、恢復(fù)線程狀態(tài)對(duì)象的機(jī)制。同時(shí)，在Python內(nèi)部，維護(hù)著一個(gè)全局變量：PyThreadState * _PyThread- State_Current。
當(dāng)前活動(dòng)線程所對(duì)應(yīng)的線程狀態(tài)對(duì)象就保存在這個(gè)變量里，當(dāng)Python調(diào)度線程時(shí)，會(huì)將被激活的線程所對(duì)應(yīng)的線程狀態(tài)對(duì)象賦給_PyThreadState_Current，使其始終保存著活動(dòng)線程的狀態(tài)對(duì)象。
這就引出了這樣的一個(gè)問(wèn)題：Python如何在調(diào)度進(jìn)程時(shí)，獲得被激活線程對(duì)應(yīng)的狀態(tài)對(duì)象？Python內(nèi)部會(huì)通過(guò)一個(gè)單向鏈表來(lái)管理所有的Python線程的狀態(tài)對(duì)象，當(dāng)需要尋找一個(gè)線程對(duì)應(yīng)的狀態(tài)對(duì)象時(shí)。#t#
就遍歷這個(gè)鏈表，搜索其對(duì)應(yīng)的狀態(tài)對(duì)象。在此后的描述中，我們將這個(gè)鏈表稱為“狀態(tài)對(duì)象鏈表”。下面我們來(lái)看一看實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)制的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在Python中，對(duì)于這個(gè)狀態(tài)對(duì)象鏈表的訪問(wèn)，不必在GIL的保護(hù)下進(jìn)行。
因?yàn)閷?duì)于這個(gè)狀態(tài)對(duì)象鏈表，Python線程會(huì)創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的鎖，專職對(duì)狀態(tài)對(duì)象鏈表進(jìn)行保護(hù)。這個(gè)鎖的創(chuàng)建是在Python進(jìn)行初始化的時(shí)候完成的。PyThread_create_key將創(chuàng)建一個(gè)新的key。注意，這里的key都是一個(gè)整數(shù)，而且，當(dāng)PyThread_create_key***次被調(diào)用時(shí)（在_PyGILState_Init中的調(diào)用正是***次調(diào)用）。
會(huì)通過(guò)PyThread_allcate_lock創(chuàng)建一個(gè)keymutex。根據(jù)我們前面的分析，這個(gè)keymutex實(shí)際上和GIL一樣，都是一個(gè)PNRMUTEX結(jié)構(gòu)體，而在這個(gè)結(jié)構(gòu)體中，維護(hù)著一個(gè)Win32下的Event內(nèi)核對(duì)象。這個(gè)keymutex的功能就是用來(lái)互斥對(duì)狀態(tài)對(duì)象鏈表的訪問(wèn)。
在_PyGILState_Init中，創(chuàng)建的新key被Python維護(hù)的全局變量autoTLSkey接收，其中的TLS是Thread Local Store的縮寫(xiě)，這個(gè)autoTLSkey將用作Python保存所有線程的狀態(tài)對(duì)象的一個(gè)參數(shù)。的key值。也就是說(shuō)，狀態(tài)對(duì)象列表中所有key結(jié)構(gòu)體中的key值都會(huì)是autoTLSkey。哎，那位看官說(shuō)了，你看PyThread_create_key返回的是nkeys的遞增后的值啊。
就是說(shuō)每create一次，得到的結(jié)果都是不同的，怎么能說(shuō)所有的key都是一樣的呢？事實(shí)上，在整個(gè)Python的源碼中，PyThread_create_key只在_PyGILState_Init中被調(diào)用了，而這個(gè)_PyGILState_Init只會(huì)在Python運(yùn)行時(shí)環(huán)境初始化時(shí)調(diào)用一次。
