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線程安全
線程安全是多線程或多進(jìn)程編程中的一個(gè)概念，在擁有共享數(shù)據(jù)的多條線程并行執(zhí)行的程序中，線程安全的代碼會(huì)通過同步機(jī)制保證各個(gè)線程都可以正常且正確的執(zhí)行，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)污染等意外情況。
線程安全的問題最主要還是由線程切換導(dǎo)致的，比如一個(gè)房間（進(jìn)程）中有10顆糖（資源），除此之外還有3個(gè)小人（1個(gè)主線程、2個(gè)子線程），當(dāng)小人A吃了3顆糖后被系統(tǒng)強(qiáng)制進(jìn)行休息時(shí)他認(rèn)為還剩下7顆糖，而當(dāng)小人B工作后又吃掉了3顆糖，那么當(dāng)小人A重新上崗時(shí)會(huì)認(rèn)為糖還剩下7顆，但是實(shí)際上只有4顆了。
上述例子中線程A和線程B的數(shù)據(jù)不同步，這就是線程安全問題，它可能導(dǎo)致非常嚴(yán)重的意外情況發(fā)生，我們按下面這個(gè)示例來進(jìn)行說明。
下面有一個(gè)數(shù)值num初始值為0，我們開啟2條線程：
線程1對(duì)num進(jìn)行一千萬次+1的操作
線程2對(duì)num進(jìn)行一千萬次-1的操作
結(jié)果可能會(huì)令人咋舌，num最后并不是我們所想象的結(jié)果0：
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?
import threading num = 0 def add(): global num for i in range(10_000_000): num += 1 def sub(): global num for i in range(10_000_000): num -= 1 if __name__ == "__main__": subThread01 = threading.Thread(target=add) subThread02 = threading.Thread(target=sub) subThread01.start() subThread02.start() subThread01.join() subThread02.join() print("num result : %s" % num) # 結(jié)果三次采集 # num result : 669214 # num result : -1849179 # num result : -525674
?
?
上面這就是一個(gè)非常好的案例，想要解決這個(gè)問題就必須通過鎖來保障線程切換的時(shí)機(jī)。
需要我們值得留意的是，在Python基本數(shù)據(jù)類型中l(wèi)ist、tuple、dict本身就是屬于線程安全的，
所以如果有多個(gè)線程對(duì)這3種容器做操作時(shí)，我們不必考慮線程安全問題。
鎖的作用
鎖是Python提供給我們能夠自行操控線程切換的一種手段，使用鎖可以讓線程的切換變的有序。
一旦線程的切換變的有序后，各個(gè)線程之間對(duì)數(shù)據(jù)的訪問、修改就變的可控，所以若要保證線程安全，就必須使用鎖。
threading模塊中提供了5種最常見的鎖，下面是按照功能進(jìn)行劃分：
同步鎖：lock（一次只能放行一個(gè)）
遞歸鎖：rlock（一次只能放行一個(gè)）
條件鎖：condition（一次可以放行任意個(gè)）
事件鎖：event（一次全部放行）
信號(hào)量鎖：semaphore（一次可以放行特定個(gè)）
1、Lock() 同步鎖
基本介紹
Lock鎖的稱呼有很多，如：
同步鎖
互斥鎖
它們是什么意思呢？如下所示：
互斥指的是某一資源同一時(shí)刻僅能有一個(gè)訪問者對(duì)其進(jìn)行訪問，具有唯一性和排他性，但是互斥無法限制訪問者對(duì)資源的訪問順序，即訪問是無序的
同步是指在互斥的基礎(chǔ)上（大多數(shù)情況），通過其他機(jī)制實(shí)現(xiàn)訪問者對(duì)資源的有序訪問
同步其實(shí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了互斥，是互斥的一種更為復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗诨コ獾幕A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了有序訪問的特點(diǎn)
下面是threading模塊與同步鎖提供的相關(guān)方法：
使用方式
同步鎖一次只能放行一個(gè)線程，一個(gè)被加鎖的線程在運(yùn)行時(shí)不會(huì)將執(zhí)行權(quán)交出去，只有當(dāng)該線程被解鎖時(shí)才會(huì)將執(zhí)行權(quán)通過系統(tǒng)調(diào)度交由其他線程。
如下所示，使用同步鎖解決最上面的問題：
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?
import threading
num = 0
def add():
lock.acquire()
global num
for i in range(10_000_000):
num += 1
lock.release()
def sub():
lock.acquire()
global num
for i in range(10_000_000):
num -= 1
lock.release()
if __name__ == "__main__":
lock = threading.Lock()
subThread01 = threading.Thread(target=add)
subThread02 = threading.Thread(target=sub)
subThread01.start()
subThread02.start()
subThread01.join()
subThread02.join()
print("num result : %s" % num)
# 結(jié)果三次采集
# num result : 0
# num result : 0
# num result : 0
?
?
這樣這個(gè)代碼就完全變成了串行的狀態(tài)，對(duì)于這種計(jì)算密集型I/O業(yè)務(wù)來說，還不如直接使用串行化單線程執(zhí)行來得快，所以這個(gè)例子僅作為一個(gè)示例，不能概述鎖真正的用途。
死鎖現(xiàn)象
對(duì)于同步鎖來說，一次acquire()必須對(duì)應(yīng)一次release()，不能出現(xiàn)連續(xù)重復(fù)使用多次acquire()后再重復(fù)使用多次release()的操作，這樣會(huì)引起死鎖造成程序的阻塞，完全不動(dòng)了，如下所示：
?
?
import threading
num = 0
def add():
lock.acquire() # 上鎖
lock.acquire() # 死鎖
# 不執(zhí)行
global num
for i in range(10_000_000):
num += 1
lock.release()
lock.release()
def sub():
lock.acquire() # 上鎖
lock.acquire() # 死鎖
# 不執(zhí)行
global num
for i in range(10_000_000):
num -= 1
lock.release()
lock.release()
if __name__ == "__main__":
lock = threading.Lock()
subThread01 = threading.Thread(target=add)
subThread02 = threading.Thread(target=sub)
subThread01.start()
subThread02.start()
subThread01.join()
subThread02.join()
print("num result : %s" % num)
?
?
with語句
由于threading.Lock()對(duì)象中實(shí)現(xiàn)了enter__()與__exit()方法，故我們可以使用with語句進(jìn)行上下文管理形式的加鎖解鎖操作：
?
?
import threading
num = 0
def add():
with lock:
# 自動(dòng)加鎖
global num
for i in range(10_000_000):
num += 1
# 自動(dòng)解鎖
def sub():
with lock:
# 自動(dòng)加鎖
global num
for i in range(10_000_000):
num -= 1
# 自動(dòng)解鎖
if __name__ == "__main__":
lock = threading.Lock()
subThread01 = threading.Thread(target=add)
subThread02 = threading.Thread(target=sub)
subThread01.start()
subThread02.start()
subThread01.join()
subThread02.join()
print("num result : %s" % num)
# 結(jié)果三次采集
# num result : 0
# num result : 0
# num result : 0
?
?
2、RLock() 遞歸鎖
基本介紹
遞歸鎖是同步鎖的一個(gè)升級(jí)版本，在同步鎖的基礎(chǔ)上可以做到連續(xù)重復(fù)使用多次acquire()后再重復(fù)使用多次release()的操作，但是一定要注意加鎖次數(shù)和解鎖次數(shù)必須一致，否則也將引發(fā)死鎖現(xiàn)象。
下面是threading模塊與遞歸鎖提供的相關(guān)方法：
使用方式
以下是遞歸鎖的簡(jiǎn)單使用，下面這段操作如果使用同步鎖則會(huì)發(fā)生死鎖現(xiàn)象，但是遞歸鎖不會(huì)：
?
?
import threading
num = 0
def add():
lock.acquire()
lock.acquire()
global num
for i in range(10_000_000):
num += 1
lock.release()
lock.release()
def sub():
lock.acquire()
lock.acquire()
global num
for i in range(10_000_000):
num -= 1
lock.release()
lock.release()
if __name__ == "__main__":
lock = threading.RLock()
subThread01 = threading.Thread(target=add)
subThread02 = threading.Thread(target=sub)
subThread01.start()
subThread02.start()
subThread01.join()
subThread02.join()
print("num result : %s" % num)
# 結(jié)果三次采集
# num result : 0
# num result : 0
# num result : 0
?
?
with語句
由于threading.RLock()對(duì)象中實(shí)現(xiàn)了enter__()與__exit()方法，故我們可以使用with語句進(jìn)行上下文管理形式的加鎖解鎖操作：
?
?
import threading
num = 0
def add():
with lock:
# 自動(dòng)加鎖
global num
for i in range(10_000_000):
num += 1
# 自動(dòng)解鎖
def sub():
with lock:
# 自動(dòng)加鎖
global num
for i in range(10_000_000):
num -= 1
# 自動(dòng)解鎖
if __name__ == "__main__":
lock = threading.RLock()
subThread01 = threading.Thread(target=add)
subThread02 = threading.Thread(target=sub)
subThread01.start()
subThread02.start()
subThread01.join()
subThread02.join()
print("num result : %s" % num)
# 結(jié)果三次采集
# num result : 0
# num result : 0
# num result : 0
?
?
3、Condition() 條件鎖
基本介紹
條件鎖是在遞歸鎖的基礎(chǔ)上增加了能夠暫停線程運(yùn)行的功能。并且我們可以使用wait()與notify()來控制線程執(zhí)行的個(gè)數(shù)。
注意：條件鎖可以自由設(shè)定一次放行幾個(gè)線程。
下面是threading模塊與條件鎖提供的相關(guān)方法：
使用方式
下面這個(gè)案例會(huì)啟動(dòng)10個(gè)子線程，并且會(huì)立即將10個(gè)子線程設(shè)置為等待狀態(tài)。
然后我們可以發(fā)送一個(gè)或者多個(gè)通知，來恢復(fù)被等待的子線程繼續(xù)運(yùn)行：
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?
import threading
currentRunThreadNumber = 0
maxSubThreadNumber = 10
def task():
global currentRunThreadNumber
thName = threading.currentThread().name
condLock.acquire() # 上鎖
print("start and wait run thread : %s" % thName)
condLock.wait() # 暫停線程運(yùn)行、等待喚醒
currentRunThreadNumber += 1
print("carry on run thread : %s" % thName)
condLock.release() # 解鎖
if __name__ == "__main__":
condLock = threading.Condition()
for i in range(maxSubThreadNumber):
subThreadIns = threading.Thread(target=task)
subThreadIns.start()
while currentRunThreadNumber < maxSubThreadNumber:
notifyNumber = int(
input("Please enter the number of threads that need to be notified to run："))
condLock.acquire()
condLock.notify(notifyNumber) # 放行
condLock.release()
print("main thread run end")
# 先啟動(dòng)10個(gè)子線程，然后這些子線程會(huì)全部變?yōu)榈却隣顟B(tài)
# start and wait run thread : Thread-1
# start and wait run thread : Thread-2
# start and wait run thread : Thread-3
# start and wait run thread : Thread-4
# start and wait run thread : Thread-5
# start and wait run thread : Thread-6
# start and wait run thread : Thread-7
# start and wait run thread : Thread-8
# start and wait run thread : Thread-9
# start and wait run thread : Thread-10
# 批量發(fā)送通知，放行特定數(shù)量的子線程繼續(xù)運(yùn)行
# Please enter the number of threads that need to be notified to run：5 # 放行5個(gè)
# carry on run thread : Thread-4
# carry on run thread : Thread-3
# carry on run thread : Thread-1
# carry on run thread : Thread-2
# carry on run thread : Thread-5
#學(xué)習(xí)中遇到問題沒人解答？小編創(chuàng)建了一個(gè)Python學(xué)習(xí)交流群：725638078
# Please enter the number of threads that need to be notified to run：5 # 放行5個(gè)
# carry on run thread : Thread-8
# carry on run thread : Thread-10
# carry on run thread : Thread-6
# carry on run thread : Thread-9
# carry on run thread : Thread-7
# Please enter the number of threads that need to be notified to run：1
# main thread run end
?
?
with語句
由于threading.Condition()對(duì)象中實(shí)現(xiàn)了enter__()與__exit()方法，故我們可以使用with語句進(jìn)行上下文管理形式的加鎖解鎖操作：
?
?
import threading
currentRunThreadNumber = 0
maxSubThreadNumber = 10
def task():
global currentRunThreadNumber
thName = threading.currentThread().name
with condLock:
print("start and wait run thread : %s" % thName)
condLock.wait() # 暫停線程運(yùn)行、等待喚醒
currentRunThreadNumber += 1
print("carry on run thread : %s" % thName)
if __name__ == "__main__":
condLock = threading.Condition()
for i in range(maxSubThreadNumber):
subThreadIns = threading.Thread(target=task)
subThreadIns.start()
while currentRunThreadNumber < maxSubThreadNumber:
notifyNumber = int(
input("Please enter the number of threads that need to be notified to run："))
with condLock:
condLock.notify(notifyNumber) # 放行
print("main thread run end")
?
?
4、Event() 事件鎖
基本介紹
事件鎖是基于條件鎖來做的，它與條件鎖的區(qū)別在于一次只能放行全部，不能放行任意個(gè)數(shù)量的子線程繼續(xù)運(yùn)行。
我們可以將事件鎖看為紅綠燈，當(dāng)紅燈時(shí)所有子線程都暫停運(yùn)行，并進(jìn)入“等待”狀態(tài)，當(dāng)綠燈時(shí)所有子線程都恢復(fù)“運(yùn)行”。
下面是threading模塊與事件鎖提供的相關(guān)方法：
使用方式
事件鎖不能利用with語句來進(jìn)行使用，只能按照常規(guī)方式。
如下所示，我們來模擬線程和紅綠燈的操作，紅燈停，綠燈行：
?
?
# 生成一個(gè)事件鎖對(duì)象
eve = threading.Event()
# 將事件鎖設(shè)置為紅燈狀態(tài)
eve.clear()
# 判斷事件鎖的狀態(tài)
eve.is_set()
# 將當(dāng)前線程設(shè)置’等待‘狀態(tài)
eve.wait()
# 將事件鎖設(shè)置為綠燈狀態(tài)
eve.set()
import time
import threading
def light(eve):
print(f'當(dāng)前時(shí)間:{time.ctime()}, 紅燈還有 5s 結(jié)束!')
time.sleep(5)
print(f'當(dāng)前時(shí)間:{time.ctime()}, 綠燈亮!')
eve.set() # 設(shè)置事件鎖標(biāo)志為 True
def car(eve, name):
print(f'當(dāng)前時(shí)間:{time.ctime()}, 車 {name} 正在等紅燈')
eve.wait() # 將當(dāng)前線程設(shè)置為等待狀態(tài)，等待事件鎖標(biāo)志為 True 再執(zhí)行
print(f'當(dāng)前時(shí)間:{time.ctime()}, 車 {name} 開始通行')
if __name__ == '__main__':
eve = threading.Event() # 事件鎖默認(rèn)標(biāo)志為 False
t1 = threading.Thread(target=light, args=(eve,))
t1.start()
for each in 'ABCDE':
t2 = threading.Thread(target=car, args=(eve, each))
t2.start()
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# 執(zhí)行看一下打印結(jié)果
當(dāng)前時(shí)間:Fri Jul 29 11:32:58 2022, 紅燈還有 5s 結(jié)束!
當(dāng)前時(shí)間:Fri Jul 29 11:32:58 2022, 車 A 正在等紅燈
當(dāng)前時(shí)間:Fri Jul 29 11:32:58 2022, 車 B 正在等紅燈
當(dāng)前時(shí)間:Fri Jul 29 11:32:58 2022, 車 C 正在等紅燈
當(dāng)前時(shí)間:Fri Jul 29 11:32:58 2022, 車 D 正在等紅燈
當(dāng)前時(shí)間:Fri Jul 29 11:32:58 2022, 車 E 正在等紅燈
當(dāng)前時(shí)間:Fri Jul 29 11:33:03 2022, 綠燈亮!
當(dāng)前時(shí)間:Fri Jul 29 11:33:03 2022, 車 C 開始通行
當(dāng)前時(shí)間:Fri Jul 29 11:33:03 2022, 車 B 開始通行
當(dāng)前時(shí)間:Fri Jul 29 11:33:03 2022, 車 E 開始通行
當(dāng)前時(shí)間:Fri Jul 29 11:33:03 2022, 車 A 開始通行
當(dāng)前時(shí)間:Fri Jul 29 11:33:03 2022, 車 D 開始通行
?
?
5、Semaphore() 信號(hào)量鎖
基本介紹
信號(hào)量鎖也是根據(jù)條件鎖來做的，它與條件鎖和事件鎖的區(qū)別如下：
條件鎖：一次可以放行任意個(gè)處于“等待”狀態(tài)的線程
事件鎖：一次可以放行全部的處于“等待”狀態(tài)的線程
信號(hào)量鎖：通過規(guī)定，成批的放行特定個(gè)處于“上鎖”狀態(tài)的線程
下面是threading模塊與信號(hào)量鎖提供的相關(guān)方法：
使用方式
以下是使用示例，你可以將它當(dāng)做一段限寬的路段，每次只能放行相同數(shù)量的線程：
?
?
import threading
import time
maxSubThreadNumber = 6
def task():
thName = threading.currentThread().name
semaLock.acquire()
print("run sub thread %s" % thName)
time.sleep(3)
semaLock.release()
if __name__ == "__main__":
# 每次只能放行2個(gè)
semaLock = threading.Semaphore(2)
for i in range(maxSubThreadNumber):
subThreadIns = threading.Thread(target=task)
subThreadIns.start()
# run sub thread Thread-1
# run sub thread Thread-2
# run sub thread Thread-3
# run sub thread Thread-4
# run sub thread Thread-6
# run sub thread Thread-5
?
?
with語句
由于threading.Semaphore()對(duì)象中實(shí)現(xiàn)了enter__()與__exit()方法，故我們可以使用with語句進(jìn)行上下文管理形式的加鎖解鎖操作：
?
?
import threading
import time
maxSubThreadNumber = 6
def task():
thName = threading.currentThread().name
with semaLock:
print("run sub thread %s" % thName)
time.sleep(3)
if __name__ == "__main__":
semaLock = threading.Semaphore(2)
for i in range(maxSubThreadNumber):
subThreadIns = threading.Thread(target=task)
subThreadIns.start()
?
?
鎖關(guān)系淺析
上面5種鎖可以說都是基于同步鎖來做的，這些你都可以從源碼中找到答案。
首先來看RLock遞歸鎖，遞歸鎖的實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，它的內(nèi)部會(huì)維護(hù)著一個(gè)計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)器不為0的時(shí)候該線程不能被I/O操作和時(shí)間輪詢機(jī)制切換。但是當(dāng)計(jì)數(shù)器為0的時(shí)候便不會(huì)如此了：
?
?
def __init__(self):
self._block = _allocate_lock()
self._owner = None
self._count = 0 # 計(jì)數(shù)器
?
?
而Condition條件鎖的內(nèi)部其實(shí)是有兩把鎖的，一把底層鎖（同步鎖）一把高級(jí)鎖(遞歸鎖)。
低層鎖的解鎖方式有兩種，使用wait()方法會(huì)暫時(shí)解開底層鎖同時(shí)加上一把高級(jí)鎖，只有當(dāng)接收到別的線程里的notfiy()后才會(huì)解開高級(jí)鎖和重新上鎖低層鎖，也就是說條件鎖底層是根據(jù)同步鎖和遞歸鎖的不斷切換來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的：
?
?
def __init__(self, lock=None):
if lock is None:
lock = RLock() # 可以看到條件鎖的內(nèi)部是基于遞歸鎖，而遞歸鎖又是基于同步鎖來做的
self._lock = lock
self.acquire = lock.acquire
self.release = lock.release
try:
self._release_save = lock._release_save
except AttributeError:
pass
try:
self._acquire_restore = lock._acquire_restore
except AttributeError:
pass
try:
self._is_owned = lock._is_owned
except AttributeError:
pass
self._waiters = _deque()
?
?
基本練習(xí)題
條件鎖的應(yīng)用
需求：一個(gè)空列表，兩個(gè)線程輪番往里面加值（一個(gè)加偶數(shù)，一個(gè)加奇數(shù)），最終讓該列表中的值為 1 - 100 ，且是有序排列的。
?
?
import threading
lst = []
def even():
"""加偶數(shù)"""
with condLock:
for i in range(2, 101, 2):
# 判斷當(dāng)前列表的長(zhǎng)度處于2是否能處盡
# 如果能處盡則代表需要添加奇數(shù)
# 否則就添加偶數(shù)
if len(lst) % 2 != 0:
# 添偶數(shù)
lst.append(i) # 先添加值
condLock.notify() # 告訴另一個(gè)線程，你可以加奇數(shù)了，但是這里不會(huì)立即交出執(zhí)行權(quán)
condLock.wait() # 交出執(zhí)行權(quán)，并等待另一個(gè)線程通知加偶數(shù)
else:
# 添奇數(shù)
condLock.wait() # 交出執(zhí)行權(quán)，等待另一個(gè)線程通知加偶數(shù)
lst.append(i)
condLock.notify()
condLock.notify()
def odd():
"""加奇數(shù)"""
with condLock:
for i in range(1, 101, 2):
if len(lst) % 2 == 0:
lst.append(i)
condLock.notify()
condLock.wait()
condLock.notify()
#學(xué)習(xí)中遇到問題沒人解答？小編創(chuàng)建了一個(gè)Python學(xué)習(xí)交流群：725638078
if __name__ == "__main__":
condLock = threading.Condition()
addEvenTask = threading.Thread(target=even)
addOddTask = threading.Thread(target=odd)
addEvenTask.start()
addOddTask.start()
addEvenTask.join()
addOddTask.join()
print(lst)
?
?
事件鎖的應(yīng)用
有2個(gè)任務(wù)線程來扮演李白和杜甫，如何讓他們一人一句進(jìn)行對(duì)答？文本如下：
杜甫：老李啊，來喝酒！
李白：老杜啊，不喝了我喝不下了！
杜甫：老李啊，再來一壺？
杜甫：…老李？
李白：呼呼呼…睡著了..
代碼如下：
?
?
import threading
def libai():
event.wait()
print("李白：老杜啊，不喝了我喝不下了！")
event.set()
event.clear()
event.wait()
print("李白：呼呼呼...睡著了..")
def dufu():
print("杜甫：老李啊，來喝酒！")
event.set()
event.clear()
event.wait()
print("杜甫：老李啊，再來一壺？")
print("杜甫：...老李？")
event.set()
if __name__ == '__main__':
event = threading.Event()
t1 = threading.Thread(target=libai)
t2 = threading.Thread(target=dufu)
t1.start()
t2.start()
t1.join()
t2.join()
?
?
審核編輯：黃飛
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工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論