linux下Python的time.sleep(0)的行为——它会导致上下文切换吗？

Question

这种模式经常出现，但我找不到直接的答案。

一个非关键的、不友好的程序可能会这样做

while(True):
    # do some work

使用其他技术和平台，如果你想让这个程序热运行（使用尽可能多的 CPU 周期）但要礼貌 - 允许其他热运行的程序有效地减慢我的速度，你会经常写：

while(True):
    #do some work
    time.sleep(0)

我已经阅读了关于后一种方法是否会在 python 上实现我希望在 linux 机器上运行的相互矛盾的信息。是否会导致上下文切换，导致我上面提到的行为？

编辑：值得一提的是，我们在 Apple OSX 中尝试了一个小实验（手边没有 linux 机器）。这个盒子有 4 个内核和超线程，所以我们只用了 8 个程序就创建了一个

while(True):
    i += 1

正如预期的那样，活动监视器将 8 个进程中的每一个显示为消耗超过 95% 的 CPU（显然使用 4 个内核和超线程，您总共得到 800%）。然后我们启动了第九个这样的程序。现在所有 9 个都运行在 85% 左右。现在杀死第九个人并用

启动一个程序

while(True):
    i += 1
    time.sleep(0)

我希望这个过程使用接近 0%，而其他 8 个将运行 95%。但相反，所有九个都运行在 85% 左右。所以在 Apple OSX 上， sleep(0) 似乎没有效果。

Answer 1

我从来没有想过这个，所以我写了这个脚本：

import time

while True:
    print "loop"
    time.sleep(0.5)

只是作为一个测试。使用strace -o isacontextswitch.strace -s512 python test.py 运行它会在循环中为您提供以下输出：

write(1, "loop\n", 5)                   = 5
select(0, NULL, NULL, NULL, {0, 500000}) = 0 (Timeout)
write(1, "loop\n", 5)                   = 5
select(0, NULL, NULL, NULL, {0, 500000}) = 0 (Timeout)
write(1, "loop\n", 5)                   = 5
select(0, NULL, NULL, NULL, {0, 500000}) = 0 (Timeout)
write(1, "loop\n", 5)                   = 5
select(0, NULL, NULL, NULL, {0, 500000}) = 0 (Timeout)
write(1, "loop\n", 5)  

select() 是一个系统调用，所以是的，您是上下文切换（从技术上讲，当您更改到内核空间时，实际上不需要上下文切换，但是如果您有其他进程正在运行，那么您在这里所说的是除非您已准备好在文件描述符上读取数据，否则其他进程可以在此之前运行）进入内核以执行此操作。有趣的是，延迟在于选择标准输入。这允许 python 中断您对事件的输入，例如 ctrl+c 输入，如果他们愿意，无需等待代码超时 - 我认为这非常简洁。

我应该注意，这同样适用于time.sleep(0)，只是传入的时间参数是{0,0}。而且这种自旋锁定对于非常短的延迟来说并不理想 - multiprocessing 和 threads 提供了等待事件对象的能力。

编辑：所以我看看 linux 到底做了什么。 do_select (fs\select.c) 中的实现会进行此检查：

if (end_time && !end_time->tv_sec && !end_time->tv_nsec) {
    wait = NULL;
timed_out = 1;
}

if (end_time && !timed_out)
    slack = select_estimate_accuracy(end_time);

换句话说，如果提供了结束时间并且两个参数都为零（!0 = 1 并且在 C 中计算为真），则等待设置为 NULL，并且选择被视为超时。但是，这并不意味着该函数会返回给您；它遍历您拥有的所有文件描述符并调用cond_resched，从而可能允许另一个进程运行。换句话说，发生什么完全取决于调度器；如果您的进程与其他进程相比一直在占用 CPU 时间，则可能会发生上下文切换。如果没有，您所在的任务（内核 do_select 函数）可能会继续执行，直到完成。

不过，我要重申，对其他进程更好的最佳方式通常是使用自旋锁以外的其他机制。

Answer 2

我想你已经从@Ninefingers 那里得到了答案，但是在这个答案中，我们将尝试深入研究 python 源代码。

首先python time 模块是用C 实现的，要查看time.sleep 函数实现，您可以查看Modules/timemodule.c。如您所见（并且没有获取所有平台特定的详细信息），此函数会将调用委托给 floatsleep 函数。

现在floatsleep 被设计为在不同的平台上工作，但行为被设计为尽可能相似，但由于我们只对类 unix 平台感兴趣，让我们检查一下that part only，我们应该：

...
Py_BEGIN_ALLOW_THREADS
sleep((int)secs);
Py_END_ALLOW_THREADS

如您所见，floatsleep 正在调用 C sleep 和来自 sleep man page：

sleep() 函数将导致调用线程被挂起 从执行到指定的实时秒数 通过参数 seconds 已经过去或 ...

但是等一下，我们不是忘记了 GIL 吗？

这就是Py_BEGIN_ALLOW_THREADS 和Py_END_ALLOW_THREADS 宏发挥作用的地方（如果您对这两个宏的定义感兴趣，请查看Include/ceval.h），上面的C 代码可以使用这两个宏转换为：

Save the thread state in a local variable.
Release the global interpreter lock.
... Do some blocking I/O operation ... (call sleep in our case)
Reacquire the global interpreter lock.
Restore the thread state from the local variable.

可以在the c-api doc 中找到有关这两个宏的更多信息。

希望这对您有所帮助。

Answer 3

您基本上是在试图篡夺 OS CPU 调度程序的工作。最好直接调用os.nice(100) 通知调度程序您的优先级很低，以便它可以正常工作。