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Global interpreter lock

Global interpreter lock (GIL) is a mechanism used in computer language interpreters to synchronize the execution of threads so that only one native thread can execute at a time.[1] An interpreter that uses GIL always allows exactly one thread to execute at a time, even if run on a multi-core processor. Some popular interpreters that have GIL are CPython and Ruby MRI.

GIL이란 Global Interpreter Lock의 약자로 여러개의 쓰레드가 있을떄 쓰레드간의 동기화를 위해 사용되는 기술 중 하나이다. GIL은 전역에 lock을 두고 이 lock을 점유해야만 코드를 실행할 수 있도록 제한한다. 따라서 동시에 하나 이상의 쓰레드가 실행되지 않는다. 예를 들어 아래 그림과 같은 3개의 쓰레드가 분산해서 일을 처리하게 될 때도 실제로 CPU를 점유할 수 있는 thread는 한 개뿐이다. 따라서 실제로 사용하는 코어는 하나뿐이라는 것이다.

GIL의 efficiency

직관적으로 멀티코어에서도 코어를 하나밖에 사용 못 한다면 GIL을 사용해서 multi threads를 지원하는 것은 성능에 큰 문제가 있을 거라고 생각된다. 하지만 이는 대부분의 경우에 큰 문제가 되지 않는다. 정확히 말해서 프로그램은 대부분 I/O bound이기 때문에 문제가 되지 않는다. I/O bound의 경우 대부분 시간을 I/O event를 기다리는 데 사용하기 때문에 event를 기다리는 동안 다른 thread가 CPU를 사용하면 된다.

반대로 말해서 프로그램이 CPU bound인 경우에는 multi-threaded program을 작성해도 성능이 향상되지 않는다. 오히려 lock을 acquire하고 release하는 시간 때문에 성능이 떨어지기도 한다.

GIL의 장점

멀티 쓰레드 프로그램에서 성능이 떨어질 수도 있지만, CPython, PyPy, Ruby MRI, Rubinius, Lua interpreter 등 많은 인터프리터 구현체들이 GIL을 사용하고 있다. 그 이유는 우선 GIL을 이용한 multi-threads를 구현하는 것이 parallel 한 multi-threads를 구현하는 것보다 훨씬 쉽다는 것이다.

게다가 이런 parallel 한 multi-threads 구현체들의 문제는 싱글 쓰레드에서 오히려 더 느려진다는 것이다. 그래서 CPython이나 Ruby MRI에서는GIL을 없애려는 많은 시도가 있었지만, 결국 싱글 쓰레드에서의 성능 저하를 극복하지 못하고 GIL로 돌아왔다. 결국, 파이썬의 창시자인 귀도 반 로섬은 CPython에서 GIL을 없애는 대신 싱글 쓰레드에서 성능을 떨어뜨릴 구현은 받아들이지 않겠다고 선언하기도 했다.

Multiprocessing vs Multithreading 

Py_BEGIN_ALLOW_THREADS
res = waitpid(pid, &status, options);
Py_END_ALLOW_THREADS

C 코드의 Py_BEGIN_ALLOW_THREADS 매크로는 파이썬에서 GIL 해제를 할 수 있는 매크로 입니다.

즉 GIL Lock 을 해제한 후 (얼마나 대기할지 모르는) waitpid 종료를 기다린 후 Py_END_ALLOW_THREADS 매크로로 다시 복구한다.

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