7.5 KiB
Лабораторная работа 3. GIL: почему потоки не ускоряют CPU-код
Время на работу: 2 пары. Зависимости: лабы 1–2.
Цель работы
Экспериментально исследовать GIL (Global Interpreter Lock) и научиться
обходить его тремя способами: процессы, освобождающие GIL C-функции
(hashlib), мультипоточность вне GIL (превью sys._is_gil_enabled).
Теория
Что такое GIL
GIL — мьютекс в CPython, разрешающий исполнять байт-код Python только одному потоку процесса в каждый момент. Один интерпретатор — один «держатель» GIL.
Зачем он нужен: упрощает реализацию CPython (счётчики ссылок, внутренние структуры не защищены отдельными замками) и делает однопоточный код быстрым. Потоки в CPython — настоящие потоки ОС, но байт-код Python они исполняют по очереди.
Как поток получает процессор: держатель GIL обязан отпускать его
периодически (по умолчанию каждые ~5 мс, sys.getswitchinterval()), и при
блокирующих вызовах (sleep, чтение сети/диска).
Следствия
| Тип задачи | Потоки | Почему |
|---|---|---|
| I/O-bound | ускоряют почти идеально | GIL отпускается на время ожидания |
| CPU-bound (чистый Python) | НЕ ускоряют | GIL: байт-код исполняется по очереди |
| CPU-bound (C-код внутри) | МОГУТ ускорять | C-функция может отпустить GIL |
Третий пункт — самый интересный: библиотеки на C (hashlib, zlib,
numpy во многих операциях) во время длинных вычислений отпускают GIL,
и потоки работают по-настоящему параллельно. Тонкость: GIL отпускается на
время одного вызова C-функции. Если блоки маленькие (4 КБ), вызовы
слишком короткие и GIL тут же забирается обратно — ускорения не будет.
Блоки ≥ 256 КБ (в работе — 1 МБ) дают честный параллелизм. В лабе это
демонстрирует hashlib.
Свободнный threading (Python 3.13+, превью)
Начиная с CPython 3.13 существует экспериментальная сборка без GIL
(free-threaded). В обычном CPython можно проверить, включён ли GIL:
sys._is_gil_enabled(). В работе — короткое ознакомление, не основное.
Проверка GIL в эксперименте
Метод: фиксированная CPU-работа W. Замеряем T(1), затем ту же работу
на p потоках. Ускорение S = T(1)/T(p):
- S ≈ 1 → GIL не отпускался (чистый Python);
- S ≈ p → GIL отпускался (C-код, sleep).
Задание
CPU-задача — из вашего варианта (common.tasks), ядро kernel работает на
чистом Python. Заполните solution.py:
measure_cpu_threads(task_name, params, p_list)— для каждого p: последовательный запуск (p=1, база) и запуск CPU-задачи на p потоках (ThreadPoolExecutor, каждый поток — свой кусок). Вернуть{p: время}. Убедиться, что checksum совпадает с последовательным.measure_gil_release(p_list, block_size, blocks_per_part)— то же, но работа — SHA-256 над готовыми блоками байтов (освобождает GIL). Фиксированный общий объёмW = blocks_per_part * max(p_list)блоков поblock_sizeбайт (os.urandom), делится между p потоками. Вернуть{p: время}, проверять checksum.gil_status()— вернуть(python_version, gil_enabled)черезsys._is_gil_enabled()(если атрибута нет — GIL включён).main()— таблицы ускорений для обоих случаев + график S(p).
Ожидаемые результаты
- Чистый Python: S(4) ≈ 0.9–1.1 (замедление из-за переключений GIL).
- SHA-256 на блоках 1 МБ: S(4) ≈ 2–4 (реальный параллелизм).
- SHA-256 на блоках 4 КБ: S(4) ≈ 0.8 — GIL не успевает отпускаться. Попробуйте оба размера блоков и объясните разницу — это ядро работы.
- Разница между «чистый Python» и «hashlib 1 МБ» — и есть GIL.
Важно про честность замеров
- объём работы при любом p одинаковый (проверка checksum);
time_call(..., repeats=3), берём лучшее;- следите, чтобы данные hashing-задачи были крупными блоками (в банке задач так и сделано).
Контрольные вопросы
- Что такое GIL и зачем он в CPython?
- Почему
time.sleepв 100 потоках не «съедает» процессор, а 100 считающих потоков работают как один? - Почему
hashlib.sha256ускоряется потоками, аsumпо списку — нет? - Что изменится в Python 3.13+ free-threaded сборках? Найдите статус PEP 703.
- Как проверить в вашем эксперименте, что работа распределена честно?
Что сдаётся
solution.py + отчёт: таблица S(p) для чистого Python и для hashlib,
график с обеими кривыми и «идеальной» прямой, вывод: когда потоки полезны.
Ответы на контрольные вопросы.
Критерии оценки
| Пункт | Баллы |
|---|---|
| Корректный замер чистого Python (S ≈ 1) | 2 |
| Корректный замер hashlib (S(p) > 1.5 при p=4) | 2 |
gil_status и версия Python в отчёте |
1 |
| График с тремя кривыми | 2 |
| Анализ и ответы на вопросы | 3 |
Типичные ошибки
- Слишком мелкие блоки для hashlib (4 КБ): S ≈ 0.8, а не 3+. GIL отпускается на время одного вызова — вызовы должны быть долгими (блоки ≥ 256 КБ).
- Разный объём работы при разных p — обязательно проверяйте checksum.
- Замер на ноутбуке без питания — турбо-частоты скачут, S(p) «плавает».