Python C API - 它是线程安全的吗？

Question

我有一个从我的多线程 Python 应用程序调用的 C 扩展。我在 C 函数的某处使用了静态变量 i，稍后我有一些 i++ 语句可以从不同的 Python 线程运行（该变量仅在我的 C 代码中使用，但我不屈服到 Python）。

由于某种原因，到目前为止我还没有遇到任何比赛条件，但我想知道这是否只是运气......

我没有任何与线程相关的 C 代码（没有 Py_BEGIN_ALLOW_THREADS 或任何东西）。

我知道 GIL 只保证单个字节码指令是原子的和线程安全的，因此 Python 中的 i+=1 语句不是线程安全的。

但我不知道 C 扩展中的 i++ 指令。有什么帮助吗？

Answer 1

当您运行 C 代码时，Python 不会释放 GIL（除非您告诉它或导致 Python 代码执行 - 请参阅底部的警告说明！）。它仅在字节码指令之前（而不是期间）释放 GIL，从解释器的角度来看，运行 C 函数是执行 CALL_FUNCTION 字节码的一部分。* （不幸的是，我找不到参考目前就这一段，但我几乎可以肯定它是正确的）

因此，除非您执行任何特定操作，否则您的 C 代码将是唯一运行的线程，因此您在其中执行的任何操作都应该是线程安全的。

如果您特别想释放 GIL - 例如，因为您正在进行不干扰 Python 的长时间计算、从文件读取或在等待其他事情发生时休眠 - 那么最简单的方法是做Py_BEGIN_ALLOW_THREADS then Py_END_ALLOW_THREADS when you want to get it back。在此块中，您不能使用大多数 Python API 函数，并且您有责任确保 C 中的线程安全。最简单的方法是仅使用局部变量而不读取或写入任何全局状态。

如果你已经让一个 C 线程在没有 GIL（线程 A）的情况下运行，那么仅仅在线程 B 中保存 GIL 并不能保证线程 A 不会修改 C 全局变量。为了安全起见，您需要确保在所有 C 函数中如果没有某种锁定机制（Python GIL 或 C 机制）就永远不会修改全局状态。

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其他想法

* 可以在 C 代码中释放 GIL 的一个地方是，如果 C 代码调用了导致 Python 代码执行的某些东西。这可能是通过使用PyObject_Call。一个不太明显的地方是Py_DECREF 导致执行析构函数。当您的 C 代码恢复时，您将获得 GIL，但您不能再保证全局对象未更改。这显然不会影响像x++ 这样的简单C。

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迟来的编辑：

需要强调的是，导致 Python 代码的执行真的非常非常容易。出于这个原因，您不应该使用 GIL 来代替互斥锁或实际的锁定机制。您应该只将它用于真正原子的操作（即单个 C API 调用）或完全在非 Python C 对象上。在执行 C 代码时您不会意外丢失 GIL，但许多 C API 调用可能会释放 GIL，执行其他操作，然后在返回 C 代码之前重新获得 GIL。

GIL 的目的是确保 Python 内部不会损坏。 GIL 将继续在扩展模块中实现此目的。但是，涉及以您不期望的方式排列的有效 Python 对象的竞争条件仍然可供您使用。例如：

PySequence_SetItem(some_list, 0, some_item);
PyObject* item = PySequence_GetItem(some_list, 0);
assert(item == some_item); // may not be true 
// the destructor of the previous contents of item 0 may have released the GIL