JVM和Python解釋器的硬盤夜話
這個電腦的主人是個程序員，他相繼學習了C, Java ,Python, Go， 但是似乎停留在Hello World的水平。
隨著hello.c, HelloWorld.java , Hello.py等文件被刪除，曾經熱鬧非凡的硬盤夜話也冷清了起來.....
JVM先生
JVM先生發覺有點不太對勁，原來那些圍著自己獻殷勤的Java文件都不見了。
茫然四顧，也找不到一個可以執行的class文件， JVM先生覺得非常孤獨。
到隔壁目錄逛逛吧，說不定還有點新發現。
果然，隔壁目錄是正在發呆的Python解釋器，JVM先生曾經見主人用它執行過一次Hello.py。
當Python明白JVM先生的處境，不由得幸災樂禍起來： “看來你活不久了，傳說中可怕的卸載很快就會來找你了。”
“怎么可能?你才活不久! 可能你還不知道吧，Hello.py也去回收站享清福了，你現在和我一樣，都是孤家寡人!” JVM先生馬上反駁， “再說了，主人怎么可能卸載我? Java可是世界上使用者最多的語言。”
“你沒看到主人穿的T恤上寫的字嗎? 人生苦短，我用Python，這已經充分說明一切了。” Python解釋器補了一刀。
“得意什么? 你不就是個小小的解釋器嗎? 怎么能和我這性能卓越的虛擬機相比?”
“解釋器? 你居然當我是解釋器? 我明明是虛擬機好不好?別以為只有你有字節碼，我也有。” Python解釋器急忙澄清自己的身份。
“那你還不是解釋執行的?” JVM先生有點底氣不足。
“你是只知其一，不知其二，我看起來是直接解釋執行的，實際上我在背后把Python文件做了編譯，也形成了字節碼。”
說著，Python給出了一段自己的字節碼
- LOAD_FAST 0 (x)
- LOAD_FAST 1 (y)
- BINARY_ADD
- LOAD_CONST 1 (10)
- BINARY_MULTIPLY
- RETURN_VALUE
經驗老道的JVM先生一眼就看出來，這是基于棧的虛擬機!
你看它先把x, y 兩個變量從某個地方給取出來，壓入棧中， 然后彈出，做加法運算，把結果也壓入棧中。
接下來把常量10 壓入棧中，把上個結果(x+y) 和10 進行相乘， 最后返回。
其實這段代碼表達的就是 (x+y)*10 ! 和自己的JVM字節碼真是非常像!
(碼農翻身友情提示： 在《我是一個Java Class》中對基于棧的操作有漫畫描述)
雖然胸有激雷， 但JVM壓抑著努力做到面如平湖， 他淡淡地說：這不就是 (x+y)*10 嘛!
垃圾回收
“哈哈，我就知道老兄你一眼就能看透， 除此之外，我也有垃圾回收呢，主人只需要把對象創建起來，根本不用管什么時候把對象占據的空間和釋放掉。” Python再次拋出炸彈。
“垃圾回收?你是怎么做垃圾回收的? ” JVM先生一下子興奮起來，這可是他最厲害的領域之一，Python竟然敢班門弄斧!
“我主要使用簡單明了的引用計數法。” Python很得意。
所謂引用計數法就是給每個對象都增加一個“引用計數”的字段，每次有新的變量指向了對象A，A的引用計數就會加一，變量指向了別的對象，A的引用計數就是減一，當引用計數為0 ，就意味著對象A可以被回收了。
- a1 = ClassA() # a1指向對象(簡稱對象A)的引用計數為 1
- a2 = a1 # a1,a2 指向同一個對象，對象A引用計數為 2
- a1 = ClassB() # a1 指向新的對象， 對象A的引用計數變為1
“看起來簡單，實際上一點都不簡單，每次遇到變量的賦值操作的時候，你都得把增加新對象的引用計數，還得減少老對象的引用計數，更要命的是循環引用問題， 你怎么解決?” JVM先生問道。
- a = ClassA() # 對象A的引用計數為1
- 2b = ClassB() # 對象B的引用計數為1
- 3a.t = b # 對象B的引用計數為2
- 4b.t = a # 對象A的引用計數為2
- 5del a # 對象A還在被b所引用，引用計數還是為1，無法刪除
- 6del b # 對象B還在被a所引用，引用計數還是為1，無法刪除
Python嘿嘿一笑：“我不是說了嗎，我主要是引用計數，我還有標記-清除，分代回收等算法作為輔助呢，從一個根集合開始，查找還被引用的，需要存活的對象...... 想來你是十分熟悉了。”
JVM先生當然很熟悉，想想自己的年輕代(里邊還要劃分成eden，survivor)，年老代，Minor GC，Full GC，各種各樣的垃圾收集器Serial、PraNew、Parallel Scavenge，Serial Old、Parallel Old、CMS，各種各樣的參數調優，經常把新手搞得眼花繚亂，又興奮又迷茫。
沒想到這小子也有一套標記-清除，分代回收，看來在理論基礎上就難于壓倒他了。
“可是，網上討論Java 垃圾回收的文章鋪天蓋地，為什么很少人討論Python垃圾回收的參數，調優啊?是不是你做得不怎么樣啊?” JVM先生很疑惑。
“嘿嘿，那是因為我就不給Python程序員提供那些煩人的調優選項，你只要用就行了，難道你寫個Python腳本還要關注垃圾回收嗎? 沒必要! 人生苦短，我用Python，很有道理!”
GIL
“既然你用引用計數，怎么處理多個線程同時修改一個對象的引用計數問題? 如果引用計數被錯誤地修改， 很可能會導致一個對象一直不被回收，或者回收了一個不能被回收對象。 難道你在每個對象上都加了一把鎖? 只讓一個線程進入修改?” JVM 的思考頗有深度。
“嘿嘿，我沒有在每個對象上都加鎖，每次訪問都加鎖、解鎖，開銷太大! 并且還很容易引發死鎖。相反， 我只設置了一把鎖，Global Interpreter Lock ，簡稱GIL， 這把超級大鎖只允許一個線程獲得Python解釋器的控制權， 簡單來說，同一時刻，只有一個線程能運行!”
“同一時刻，只有一個線程能運行? ” JVM簡直不敢相信，這絕對顛覆了自己的世界觀和人生觀。
用戶寫了多線程的程序，如果CPU有多核，只有一個線程執行，怎么利用多核? 是為了實現“一核有難，多核圍觀”嗎?
線程切換的時候還得釋放GIL，競爭GIL，多線程可能跑得比單線程都慢了! 要多線程有什么用?
“其實也沒什么大不了的，老兄你也知道，這程序的瓶頸啊，它不在CPU， 而在于IO, 就是用戶的輸入，數據庫的查許，網絡的訪問， 線程等到有IO操作的時候，放棄GIL這個超級大鎖，讓別的線程去執行就是了。”
“那要是有個CPU密集型的線程在執行，根本沒有I/O， 一直霸占著GIL不放，那該怎么辦? ” JVM先生問道。
“放心吧，我肯定不能讓他霸占著CPU不放，我也得給別的線程一個機會運行。 具體的做法也很簡單，每當線程執行了100 ticks， 就需要釋放這個GIL。”
“tick ? 是時鐘周期嗎?”
“不是時鐘周期，是和我的字節碼相關的，一個tick映射到一條或多條字節碼。”
“當線程A執行了100個ticks以后，你就讓他放棄GIL，然后具體怎么處理?” JVM先生刨根問底。
“然后我就發個信號給操作系統老大嘍，讓他去調度那些因為沒有獲得GIL鎖而掛起的線程，大家去競爭這把鎖，當然線程A也會參與競爭，大家都站在同一個起跑線上，誰獲得了GIL， 誰就可以執行了。 ”
JVM覺得Python的這種作法實在是古怪，操作系統老大本來有一套自己的線程調度的策略，現在你為了讓線程釋放GIL， 又來搞個什么ticks, 把簡單的東西給變復雜了啊。
JVM先生很快想到另外一個問題： “線程A也會參與競爭?! 那要是在多核情況下，被分配到其他核的線程由于需要等待信號，喚醒以后才能競爭，線程A會不會經常搶先，‘打壓’別的線程，讓它們難以抬頭，難以運行? ”
Python不由得佩服JVM，它在這方面知識儲備真厲害，一下子就抓住了關鍵的小尾巴。他尷尬地笑了笑： “嗯，有這個可能。 ”
JVM從打心底鄙視這種GIL的全局鎖，太不講人性了。
“如果真想利用多核的特性，還想避開GIL, Python專家建議，還是用多進程吧! ” Python無奈地說道。
“多進程? 你要知道每個進程都是獨立的，數據共享起來比線程要麻煩得多! 程序不經過大改動是不行的。 你們怎么不把這個不講人性的GIL給去掉啊??”
“哎呀，不好改啊，歷史遺留問題了， 我們Python誕生于上世紀90年代初，比你Java 還早。 Python的設計目標就是易于使用，易于擴展，很多用C語言寫的擴展庫被開發出來，由于有GIL， 這些擴展庫都不必考慮線程安全問題，很容易被集成進來。”
看來存在就是合理的，C的擴展庫極大地豐富了Python的功能，促進了Python的發展和使用。
但是隨之多核的出現和流行，GIL慢慢地不合時宜了。關鍵是現在想去修改也很難了。
“那你們有沒有計劃，什么時候把GIL給干掉?”
“我覺得等到Python 3000也許有戲。” Python開玩笑，他還挺樂觀。
JVM先生突然想到一件事情：“我聽說你們Python語言在我的JVM上也有實現，叫做什么Jython，它有GIL的限制嗎?”
“Jython啊，他在底層都被編譯成你的Java字節碼了，在你的虛擬中運行，是沒有GIL的。”
“哼哼，還是我的平臺厲害吧!” JVM先生很得意。
尾聲
兩人正聊得熱火朝天， 突然看到主人回到電腦前，拿起鼠標，敲起鍵盤，不知道要做什么事情。
兩人非常緊張，惴惴不安地迎接最終的審判： 卸載。
可怕的卸載并沒有來臨， 相反，電腦里入住了兩個IDE, 一個是IntelliJ IDEA， 還有一個是PyCharm，兩人不由得歡呼起來： 看來主人并不打算拋棄我們，而是要用IDE做點大項目了!
【本文為51CTO專欄作者“劉欣”的原創稿件，轉載請通過作者微信公眾號coderising獲取授權】
