python多執行緒同步實例分析

  • 2019 年 10 月 3 日
  • 筆記

進程之間通訊與執行緒同步是一個歷久彌新的話題，對編程稍有了解應該都知道，但是細說又說不清。一方面除了工作中可能用的比較少，另一方面就是這些概念牽涉到的東西比較多，而且相對較深。網路編程，服務端編程，並發應用等都會涉及到。其開發和調試過程都不直觀。由於同步通訊機制的原理都是相通的，本文希通過望藉助python實例來將抽象概念具體化。

閱讀之前可以參考之前的一篇文章：python多執行緒與多進程及其區別，了解一下執行緒和進程的創建。

python多執行緒同步

python中提供兩個標準庫thread和threading用於對執行緒的支援，python3中已放棄對前者的支援，後者是一種更高層次封裝的執行緒庫，接下來均以後者為例。

同步與互斥

相信多數學過作業系統的人，都被這兩個概念弄混過，什麼互斥是特殊的同步，同步是多執行緒或多進程協同完成某一任務過程中在一些關鍵節點上進行的協同的關係等等。

其實這兩個概念都是圍繞著一個協同關係來進行的，可以通過一個具體的例子來清晰的表達這兩個概念：

有兩個執行緒，分別叫做執行緒A和執行緒B，其中執行緒A用來寫一個變數，執行緒B讀取執行緒A寫的變數，而且執行緒A先寫變數，然後執行緒B才能讀這個變數，那麼執行緒A和B之間就是一種同步關係；

===== 同步關係 =====
Thread A:  write(share_data)  V(S)    # 釋放資源    Thread B:  P(S)    # 獲取資源  read(share_data)

如果又來一個執行緒C，也要寫這個變數，那麼執行緒A和C之間就是一種互斥關係，因為同時只能由一個執行緒寫該變數；

===== 互斥關係 =====  Thread A:  Lock.acquire();       # 獲得鎖  write(share_data)  Lock.release()        # 釋放鎖    Thread C:  Lock.acquire();       # 獲得鎖  write(share_data)  Lock.release()        # 釋放鎖

執行緒同步

主執行緒和其創建的執行緒之間各自執行自己的程式碼直到結束。接下來看一下python執行緒之間同步問題.

交替執行的執行緒安全嗎？

先來看一下下面的這個例子：

share_data = 0    def tstart(arg):      time.sleep(0.1)      global share_data      for i in xrange(1000):          share_data += 1    if __name__ == '__main__':      t1 = threading.Thread(target = tstart, args = ('',))      t2 = threading.Thread(target = tstart, args = ('',))      t1.start()      t2.start()      t1.join()      t2.join()      print 'share_data result:', share_data

上面這段程式碼執行結果share_data多數情況下會小於2000，上一篇文章介紹過，python解釋器CPython中引入了一個全局解釋器鎖（GIL），也就是任一時刻都只有一個執行緒在執行，但是這裡還會出問題，為什麼？

根本原因在於對share_data的寫不是原子操作，執行緒在寫的過程中被打斷，然後切換執行緒執行，回來時會繼續執行被打斷的寫操作，不過可能覆蓋掉這段時間另一個執行緒寫的結果。

下面是一種可能的運算過程：

實際計算過程可能比上面描述的更複雜，可以從單個執行緒的角度來理解，如果不加同步措施，對於單個執行緒而言其完全感知不到其他執行緒的存在，讀取數據、計算、寫回數據。

如果在讀取數據之後，計算過程或者寫回數據前被打斷，當再次執行時，即使記憶體中的share_data已經發生了變化，但是該進程還是會從中斷的地方繼續執行，並將計算結果覆蓋掉當前的share_data的值；

這就是為什麼每一時刻只有一個執行緒在執行，但是結果還是錯的原因。可以想像如果多個執行緒並行執行，不加同步措施，那麼計算過程會更加混亂。

感興趣的話可以使用一個全局列表的res,記錄下每個執行緒寫share_data的過程，可以比較直觀的看到寫的過程：

share_data = 0  res = []    def tstart(arg):      time.sleep(0.1)      global share_data      for i in xrange(1000):          res.append((arg, share_data))          share_data += 1    if __name__ == '__main__':      t1 = threading.Thread(target = tstart, args = ('1',))      t2 = threading.Thread(target = tstart, args = ('2',))      t1.start()      t2.start()      t1.join()      t2.join()      print res, len(res)      print 'share_data result:', share_data

View Code

下面是一種可能的結果，可以看到兩個執行緒對share_data的確進行了2000次加一操作，但是結果卻不是2000.

[('2', 0), ('2', 1), ('1', 2), ('1', 3), ('1', 4), ('1', 5), ('1', 6), ('1', 7), ('1', 8), ('1', 9), ('1', 10), ('1', 11), ('1', 12), ('2', 12), ('2', 13), ('2', 14), ('2', 15), ('2', 16), ('2', 17), ('2', 18), ('2', 19), ('2', 20), ('2', 21), ('2', 22), ('1', 13), ('1', 14), ('1', 15), ('1', 16), ('1', 17), ('1', 18), ('1', 19), ('1', 20), ('1', 21), ('1', 22), ('1', 23), ('2', 24), ('2', 25), ('2', 26), ('2', 27), ('2', 28), ('2', 29), ('2', 30), ('2', 31), ('2', 32), ('2', 33), ('2', 34), ('1', 35), ('1', 36), ('1', 37), ('1', 38), ('1', 39), ('1', 40), ('1', 41), ('1', 42), ('1', 43), ('1', 44), ('1', 45), ('2', 35), ('2', 47), ('2', 48), ('2', 49), ('2', 50), ('2', 51), ('2', 52), ('2', 53), ('2', 54), ('2', 55), ('2', 56), ('2', 57), ('1', 57), ('1', 58), ('1', 59), ('1', 60), ('1', 61), ('1', 62), ('1', 63), ('1', 64), ('1', 65), ('1', 66), ('1', 67), ('2', 58), ('2', 59), ('2', 60), ('2', 61), ('2', 62), ('2', 63), ('2', 64), ('2', 65), ('2', 66), ('2', 67), ('2', 68), ('1', 68), ('1', 70), ('1', 71), ('1', 72), ('1', 73), ('1', 74), ('1', 75), ('1', 76), ('1', 77), ('1', 78), ('1', 79), ('1', 80), ('2', 80), ('2', 81), ('2', 82), ('2', 83), ('2', 84), ('2', 85), ('2', 86), ('2', 87), ('2', 88), ('2', 89), ('2', 90), ('1', 81), ('1', 82), ('1', 83), ('1', 84), ('1', 85), ('1', 86), ('1', 87), ('1', 88), ('1', 89), ('1', 90), ('1', 91), ('2', 92), ('2', 93), ('2', 94), ('2', 95), ('2', 96), ('2', 97), ('2', 98), ('2', 99), ('2', 100), ('2', 101), ('2', 102), ('1', 103), ('1', 104), ('1', 105), ('1', 106), ('1', 107), ('1', 108), ('1', 109), ('1', 110), ('1', 111), ('1', 112), ('1', 113), ('2', 103), ('2', 115), ('2', 116), ('2', 117), ('2', 118), ('2', 119), ('2', 120), ('2', 121), ('2', 122), ('2', 123), ('2', 124), ('2', 125), ('1', 125), ('1', 126), ('1', 127), ('1', 128), ('1', 129), ('1', 130), ('1', 131), ('1', 132), ('1', 133), ('1', 134), ('1', 135), ('2', 137), ('2', 138), ('2', 139), ('2', 140), ('2', 141), ('2', 142), ('2', 143), ('2', 144), ('2', 145), ('2', 146), ('2', 147), ('1', 136), ('1', 148), ('1', 149), ('1', 150), ('1', 151), ('1', 152), ('1', 153), ('1', 154), ('1', 155), ('1', 156), ('1', 157), ('1', 158), ('2', 148), ('2', 149), ('2', 150), ('2', 151), ('2', 152), ('2', 153), ('2', 154), ('2', 155), ('2', 156), ('2', 157), ('2', 158), ('1', 160), ('1', 161), ('1', 162), ('1', 163), ('1', 164), ('1', 165), ('1', 166), ('1', 167), ('1', 168), ('1', 169), ('1', 170), ('2', 170), ('2', 171), ('2', 172), ('2', 173), ('2', 174), ('2', 175), ('2', 176), ('2', 177), ('2', 178), ('2', 179), ('2', 180), ('1', 171), ('1', 172), ('1', 173), ('1', 174), ('1', 175), ('1', 176), ('1', 177), ('1', 178), ('1', 179), ('1', 180), ('1', 181), ('2', 182), ('2', 183), ('2', 184), ('2', 185), ('2', 186), ('2', 187), ('2', 188), ('2', 189), ('2', 190), ('2', 191), ('2', 192), ('1', 193), ('1', 194), ('1', 195), ('1', 196), ('1', 197), ('1', 198), ('1', 199), ('1', 200), ('1', 201), ('1', 202), ('1', 203), ('2', 193), ('2', 205), ('2', 206), ('2', 207), ('2', 208), ('2', 209), ('2', 210), ('2', 211), ('2', 212), ('2', 213), ('2', 214), ('2', 215), ('1', 215), ('1', 216), ('1', 217), ('1', 218), ('1', 219), ('1', 220), ('1', 221), ('1', 222), ('1', 223), ('1', 224), ('1', 225), ('2', 216), ('2', 217), ('2', 218), ('2', 219), ('2', 220), ('2', 221), ('2', 222), ('2', 223), ('2', 224), ('2', 225), ('2', 226), ('1', 226), ('1', 228), ('1', 229), ('1', 230), ('1', 231), ('1', 232), ('1', 233), ('1', 234), ('1', 235), ('1', 236), ('1', 237), ('1', 238), ('2', 238), ('2', 239), ('2', 240), ('2', 241), ('2', 242), ('2', 243), ('2', 244), ('2', 245), ('2', 246), ('2', 247), ('2', 248), ('1', 239), ('1', 240), ('1', 241), ('1', 242), ('1', 243), ('1', 244), ('1', 245), ('1', 246), ('1', 247), ('1', 248), ('1', 249), ('2', 250), ('2', 251), ('2', 252), ('2', 253), ('2', 254), ('2', 255), ('2', 256), ('2', 257), ('2', 258), ('2', 259), ('2', 260), ('1', 261), ('1', 262), ('1', 263), ('1', 264), ('1', 265), ('1', 266), ('1', 267), ('1', 268), ('1', 269), ('1', 270), ('1', 271), ('2', 261), ('2', 273), ('2', 274), ('2', 275), ('2', 276), ('2', 277), ('2', 278), ('2', 279), ('2', 280), ('2', 281), ('2', 282), ('2', 283), ('1', 283), ('1', 284), ('1', 285), ('1', 286), ('1', 287), ('1', 288), ('1', 289), ('1', 290), ('1', 291), ('1', 292), ('1', 293), ('2', 295), ('2', 296), ('2', 297), ('2', 298), ('2', 299), ('2', 300), ('2', 301), ('2', 302), ('2', 303), ('2', 304), ('2', 305), ('1', 294), ('1', 306), ('1', 307), ('1', 308), ('1', 309), ('1', 310), ('1', 311), ('1', 312), ('1', 313), ('1', 314), ('1', 315), ('1', 316), ('2', 306), ('2', 307), ('2', 308), ('2', 309), ('2', 310), ('2', 311), ('2', 312), ('2', 313), ('2', 314), ('2', 315), ('2', 316), ('1', 318), ('1', 319), ('1', 320), ('1', 321), ('1', 322), ('1', 323), ('1', 324), ('1', 325), ('1', 326), ('1', 327), ('1', 328), ('2', 328), ('2', 329), ('2', 330), ('2', 331), ('2', 332), ('2', 333), ('2', 334), ('2', 335), ('2', 336), ('2', 337), ('2', 338), ('1', 329), ('1', 330), ('1', 331), ('1', 332), ('1', 333), ('1', 334), ('1', 335), ('1', 336), ('1', 337), ('1', 338), ('1', 339), ('2', 340), ('2', 341), ('2', 342), ('2', 343), ('2', 344), ('2', 345), ('2', 346), ('2', 347), ('2', 348), ('2', 349), ('2', 350), ('1', 351), ('1', 352), ('1', 353), ('1', 354), ('1', 355), ('1', 356), ('1', 357), ('1', 358), ('1', 359), ('1', 360), ('1', 361), ('2', 351), ('2', 363), ('2', 364), ('2', 365), ('2', 366), ('2', 367), ('2', 368), ('2', 369), ('2', 370), ('2', 371), ('2', 372), ('2', 373), ('1', 373), ('1', 374), ('1', 375), ('1', 376), ('1', 377), ('1', 378), ('1', 379), ('1', 380), ('1', 381), ('1', 382), ('1', 383), ('2', 374), ('2', 375), ('2', 376), ('2', 377), ('2', 378), ('2', 379), ('2', 380), ('2', 381), ('2', 382), ('2', 383), ('2', 384), ('1', 384), ('1', 386), ('1', 387), ('1', 388), ('1', 389), ('1', 390), ('1', 391), ('1', 392), ('1', 393), ('1', 394), ('1', 395), ('1', 396), ('2', 396), ('2', 397), ('2', 398), ('2', 399), ('2', 400), ('2', 401), ('2', 402), ('2', 403), ('2', 404), ('2', 405), ('2', 406), ('1', 397), ('1', 398), ('1', 399), ('1', 400), ('1', 401), ('1', 402), ('1', 403), ('1', 404), ('1', 405), ('1', 406), ('1', 407), ('2', 408), ('2', 409), ('2', 410), ('2', 411), ('2', 412), ('2', 413), ('2', 414), ('2', 415), ('2', 416), ('2', 417), ('2', 418), ('1', 419), ('1', 420), ('1', 421), ('1', 422), ('1', 423), ('1', 424), ('1', 425), ('1', 426), ('1', 427), ('1', 428), ('1', 429), ('2', 419), ('2', 431), ('2', 432), ('2', 433), ('2', 434), ('2', 435), ('2', 436), ('2', 437), ('2', 438), ('2', 439), ('2', 440), ('2', 441), ('1', 441), ('1', 442), ('1', 443), ('1', 444), ('1', 445), ('1', 446), ('1', 447), ('1', 448), ('1', 449), ('1', 450), ('1', 451), ('2', 453), ('2', 454), ('2', 455), ('2', 456), ('2', 457), ('2', 458), ('2', 459), ('2', 460), ('2', 461), ('2', 462), ('2', 463), ('1', 452), ('1', 464), ('1', 465), ('1', 466), ('1', 467), ('1', 468), ('1', 469), ('1', 470), ('1', 471), ('1', 472), ('1', 473), ('1', 474), ('2', 464), ('2', 465), ('2', 466), ('2', 467), ('2', 468), ('2', 469), ('2', 470), ('2', 471), ('2', 472), ('2', 473), ('2', 474), ('1', 476), ('1', 477), ('1', 478), ('1', 479), ('1', 480), ('1', 481), ('1', 482), ('1', 483), ('1', 484), ('1', 485), ('1', 486), ('2', 486), ('2', 487), ('2', 488), ('2', 489), ('2', 490), ('2', 491), ('2', 492), ('2', 493), ('2', 494), ('2', 495), ('2', 496), ('1', 487), ('1', 488), ('1', 489), ('1', 490), ('1', 491), ('1', 492), ('1', 493), ('1', 494), ('1', 495), ('1', 496), ('1', 497), ('2', 498), ('2', 499), ('2', 500), ('2', 501), ('2', 502), ('2', 503), ('2', 504), ('2', 505), ('2', 506), ('2', 507), ('2', 508), ('1', 509), ('1', 510), ('1', 511), ('1', 512), ('1', 513), ('1', 514), ('1', 515), ('1', 516), ('1', 517), ('1', 518), ('1', 519), ('2', 509), ('2', 521), ('2', 522), ('2', 523), ('2', 524), ('2', 525), ('2', 526), ('2', 527), ('2', 528), ('2', 529), ('2', 530), ('2', 531), ('1', 531), 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('1', 1169), ('1', 1170), ('1', 1171), ('1', 1172), ('1', 1173), ('2', 1164), ('2', 1165), ('2', 1166), ('2', 1167), ('2', 1168), ('2', 1169), ('2', 1170), ('2', 1171), ('2', 1172), ('2', 1173), ('2', 1174), ('1', 1174), ('1', 1176), ('1', 1177), ('1', 1178), ('1', 1179), ('1', 1180), ('1', 1181), ('1', 1182), ('1', 1183), ('1', 1184), ('1', 1185), ('1', 1186), ('2', 1186), ('2', 1187), ('2', 1188), ('2', 1189), ('2', 1190), ('2', 1191), ('2', 1192), ('2', 1193), ('2', 1194), ('2', 1195), ('2', 1196), ('1', 1187), ('1', 1188), ('1', 1189), ('1', 1190), ('1', 1191), ('1', 1192), ('1', 1193), ('1', 1194), ('1', 1195), ('1', 1196), ('1', 1197), ('2', 1198), ('2', 1199), ('2', 1200), ('2', 1201), ('2', 1202), ('2', 1203), ('2', 1204), ('2', 1205), ('2', 1206), ('2', 1207), ('2', 1208), ('1', 1209), ('1', 1210), ('1', 1211), ('1', 1212), ('1', 1213), ('1', 1214), ('1', 1215), ('1', 1216), ('1', 1217), ('1', 1218), ('1', 1219), ('2', 1209), ('2', 1221), ('2', 1222), ('2', 1223), ('2', 1224), ('2', 1225), ('2', 1226), ('2', 1227), ('2', 1228), ('2', 1229), ('2', 1230), ('2', 1231), ('1', 1231), ('1', 1232), ('1', 1233), ('1', 1234), ('1', 1235), ('1', 1236), ('1', 1237), ('1', 1238), ('1', 1239), ('1', 1240), ('1', 1241), ('2', 1243), ('2', 1244), ('2', 1245), ('2', 1246), ('2', 1247), ('2', 1248), ('2', 1249), ('2', 1250), ('2', 1251), ('2', 1252), ('2', 1253), ('1', 1242), ('1', 1254), ('1', 1255), ('1', 1256), ('1', 1257), ('1', 1258), ('1', 1259), ('1', 1260), ('1', 1261), ('1', 1262), ('1', 1263), ('1', 1264), ('2', 1254), ('2', 1255), ('2', 1256), ('2', 1257), ('2', 1258), ('2', 1259), ('2', 1260), ('2', 1261), ('2', 1262), ('2', 1263), ('2', 1264), ('1', 1266), ('1', 1267), ('1', 1268), ('1', 1269), ('1', 1270), ('1', 1271), ('1', 1272), ('1', 1273), ('1', 1274), ('1', 1275), ('1', 1276), ('2', 1276), ('2', 1277), ('2', 1278), ('2', 1279), ('2', 1280), ('2', 1281), ('2', 1282), ('2', 1283), ('2', 1284), ('2', 1285), ('2', 1286), ('1', 1277), ('1', 1278), ('1', 1279), ('1', 1280), ('1', 1281), ('1', 1282), ('1', 1283), ('1', 1284), ('1', 1285), ('1', 1286), ('1', 1287), ('2', 1288), ('2', 1289), ('2', 1290), ('2', 1291), ('2', 1292), ('2', 1293), ('2', 1294), ('2', 1295), ('2', 1296), ('2', 1297), ('2', 1298), ('1', 1299), ('1', 1300), ('1', 1301), ('1', 1302), ('1', 1303), ('1', 1304), ('1', 1305), ('1', 1306), ('1', 1307), ('1', 1308), ('1', 1309), ('2', 1299), ('2', 1311), ('2', 1312), ('2', 1313), ('2', 1314), ('2', 1315), ('2', 1316), ('2', 1317), ('2', 1318), ('2', 1319), ('2', 1320), ('2', 1321), ('1', 1321), ('1', 1322), ('1', 1323), ('1', 1324), ('1', 1325), ('1', 1326), ('1', 1327), ('1', 1328), ('1', 1329), ('1', 1330), ('1', 1331), ('2', 1322), ('2', 1323), ('2', 1324), ('2', 1325), ('2', 1326), ('2', 1327), ('2', 1328), ('2', 1329), ('2', 1330), ('2', 1331), ('2', 1332), ('1', 1332), ('1', 1334), ('1', 1335), ('1', 1336), ('1', 1337), ('1', 1338), ('1', 1339), ('1', 1340), ('1', 1341), ('1', 1342), ('1', 1343), ('1', 1344), ('2', 1344), ('2', 1345), ('2', 1346), ('2', 1347), ('2', 1348), ('2', 1349), ('2', 1350), ('2', 1351), ('2', 1352), ('2', 1353), ('2', 1354), ('1', 1345), ('1', 1346), ('1', 1347), ('1', 1348), ('1', 1349), ('1', 1350), ('1', 1351), ('1', 1352), ('1', 1353), ('1', 1354), ('1', 1355), ('2', 1356), ('2', 1357), ('2', 1358), ('2', 1359), ('2', 1360), ('2', 1361), ('2', 1362), ('2', 1363), ('2', 1364), ('2', 1365), ('2', 1366), ('1', 1367), ('1', 1368), ('1', 1369), ('1', 1370), ('1', 1371), ('1', 1372), ('1', 1373), ('1', 1374), ('1', 1375), ('1', 1376), ('1', 1377), ('2', 1367), ('2', 1379), ('2', 1380), ('2', 1381), ('2', 1382), ('2', 1383), ('2', 1384), ('2', 1385), ('2', 1386), ('2', 1387), ('2', 1388), ('2', 1389), ('1', 1389), ('1', 1390), ('1', 1391), ('1', 1392), ('1', 1393), ('1', 1394), ('1', 1395), ('1', 1396), ('1', 1397), ('1', 1398), ('1', 1399), ('2', 1401), ('2', 1402), ('2', 1403), ('2', 1404), ('2', 1405), ('2', 1406), ('2', 1407), ('2', 1408), ('2', 1409), ('2', 1410), ('2', 1411), ('1', 1400), ('1', 1412), ('1', 1413), ('1', 1414), ('1', 1415), ('1', 1416), ('1', 1417), ('1', 1418), ('1', 1419), ('1', 1420), ('1', 1421), ('1', 1422), ('2', 1412), ('2', 1413), ('2', 1414), ('2', 1415), ('2', 1416), ('2', 1417), ('2', 1418), ('2', 1419), ('2', 1420), ('2', 1421), ('2', 1422), ('1', 1424), ('1', 1425), ('1', 1426), ('1', 1427), ('1', 1428), ('1', 1429), ('1', 1430), ('1', 1431), ('1', 1432), ('1', 1433), ('1', 1434), ('2', 1434), ('2', 1435), ('2', 1436), ('2', 1437), ('2', 1438), ('2', 1439), ('2', 1440), ('2', 1441), ('2', 1442), ('2', 1443), ('2', 1444), ('1', 1435), ('1', 1436), ('1', 1437), ('1', 1438), ('1', 1439), ('1', 1440), ('1', 1441), ('1', 1442), ('1', 1443), ('1', 1444), ('1', 1445), ('2', 1446), ('2', 1447), ('2', 1448), ('2', 1449), ('2', 1450), ('2', 1451), ('2', 1452), ('2', 1453), ('2', 1454), ('2', 1455), ('2', 1456), ('1', 1457), ('1', 1458), ('1', 1459), ('1', 1460), ('1', 1461), ('1', 1462), ('1', 1463), ('1', 1464), ('1', 1465), ('1', 1466), ('1', 1467), ('2', 1457), ('2', 1469), ('2', 1470), ('2', 1471), ('2', 1472), ('2', 1473), ('2', 1474), ('2', 1475), ('2', 1476), ('2', 1477), ('2', 1478), ('2', 1479), ('1', 1479), ('1', 1480), ('1', 1481), ('1', 1482), ('1', 1483), ('1', 1484), ('1', 1485), ('1', 1486), ('1', 1487), ('1', 1488), ('1', 1489), ('2', 1480), ('2', 1481), ('2', 1482), ('2', 1483), ('2', 1484), ('2', 1485), ('2', 1486), ('2', 1487), ('2', 1488), ('2', 1489), ('2', 1490), ('1', 1490), ('1', 1492), ('1', 1493), ('1', 1494), ('1', 1495), ('1', 1496), ('1', 1497), ('1', 1498), ('1', 1499), ('1', 1500), ('1', 1501), ('1', 1502), ('2', 1502), ('2', 1503), ('2', 1504), ('2', 1505), ('2', 1506), ('2', 1507), ('2', 1508), ('2', 1509), ('2', 1510), ('2', 1511), ('2', 1512), ('1', 1503), ('1', 1504), ('1', 1505), ('1', 1506), ('1', 1507), ('1', 1508), ('1', 1509), ('1', 1510), ('1', 1511), ('1', 1512), ('1', 1513), ('2', 1514), ('2', 1515), ('2', 1516), ('2', 1517), ('2', 1518), ('2', 1519), ('2', 1520), ('2', 1521), ('2', 1522), ('2', 1523), ('2', 1524), ('1', 1525), ('1', 1526), ('1', 1527), ('1', 1528), ('1', 1529), ('1', 1530), ('1', 1531), ('1', 1532), ('1', 1533), ('1', 1534), ('1', 1535), ('2', 1525), ('2', 1537), ('2', 1538), ('2', 1539), ('2', 1540), ('2', 1541), ('2', 1542), ('2', 1543), ('2', 1544), ('2', 1545), ('2', 1546), ('2', 1547), ('1', 1547), ('1', 1548), ('1', 1549), ('1', 1550), ('1', 1551), ('1', 1552), ('1', 1553), ('1', 1554), ('1', 1555), ('1', 1556), ('1', 1557), ('2', 1559), ('2', 1560), ('2', 1561), ('2', 1562), ('2', 1563), ('2', 1564), ('2', 1565), ('2', 1566), ('2', 1567), ('2', 1568), ('1', 1558), ('1', 1570)] 2000  share_data result: 1571

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這就是多執行緒寫操作帶來的執行緒安全問題。具體來說這種執行緒同步屬於互斥關係。接下來看一下python提供的多執行緒同步措施。

threading模組的給python執行緒提供了一些同步機制，具體用法可以參照官網上的文檔說明。

  • Lock：互斥鎖，只能有一個執行緒獲取，獲取該鎖的執行緒才能執行，否則阻塞；
  • RLock：遞歸鎖，也稱可重入鎖，已經獲得該鎖的執行緒可以繼續多次獲得該鎖，而不會被阻塞，釋放的次數必須和獲取的次數相同才會真正釋放該鎖；
  • Condition：條件變數，使得一個執行緒等待另一個執行緒滿足特定條件，比如改變狀態或某個值。然後會主動通知另一個執行緒，並主動放棄鎖；
  • Semaphore：訊號鎖。為執行緒間共享的有限資源提供一個”計數器”，如果沒有可用資源則會被阻塞；
  • Event：事件鎖，任意數量的執行緒等待某個事件的發生，在該事件發生後所有執行緒被激活；
  • Timer：一種計時器（其用法比較簡單，不算同步機制暫不介紹）

互斥鎖Lock

其基本用法非常簡單：

  1. 創建鎖：Lock()
  2. 獲得鎖：acquire([blocking])
  3. 釋放鎖：release()
import threading  import time  lock = threading.Lock()     # step 1: 創建互斥鎖  share_data = 0    def tstart(arg):      time.sleep(0.1)      global share_data      if lock.acquire():       # step 2: 獲取互斥鎖，否則阻塞當前執行緒          share_data += 1      lock.release()          # step 3: 釋放互斥鎖    if __name__ == '__main__':      tlst = list()      for i in xrange(10):          t = threading.Thread(target=tstart, args=('',))          tlst.append(t)      for t in tlst:          t.start()      tlst[2].join()      print("This is main function at：%s" % time.time())      print 'share_data result:', share_data

結果：

This is main function at：1564909315.86  share_data result: 7

上面的share_data結果有一定的隨機性，因為我們只等待第二個執行緒執行結束就直接讀取結果然後結束主執行緒了。

不過從上面這個結果我們可以推斷出，當第三個執行緒結束且主執行緒執行到輸出share_data的結果時，至少七個執行緒完成了對share_data的加1操作；

重入鎖RLock

由於當前執行緒獲得鎖之後，在釋放鎖之前有可能再次獲取鎖導致死鎖。python引入了重入鎖。

import threading  import time  rlock = threading.RLock()     # step 1: 創建重入鎖  share_data = 0    def check_data():      global share_data      if rlock.acquire():          if share_data > 10:              share_data = 0      rlock.release()    def tstart(arg):      time.sleep(0.1)      global share_data      if rlock.acquire():       # step 2: 獲取重入鎖，否則阻塞當前執行緒          check_data()          share_data += 1      rlock.release()          # step 3: 釋放重入鎖    if __name__ == '__main__':      t1 = threading.Thread(target = tstart, args = ('',))      t1.start()      t1.join()      print("This is main function at：%s" % time.time())      print 'share_data result:', share_data

這個例子如果使用互斥鎖，就會導致當前執行緒阻塞。

訊號量Semaphore

訊號量有一個初始值，表示當前可用的資源數，多執行緒執行過程中會動態的加減訊號量，訊號量某一時刻的值表示的是當前還可以增加的執行的執行緒的數量；

訊號量有兩種操作：

  1. acquire(即P操作)
  2. release(即V操作)

執行V操作的執行緒不受限制，執行P操作的執行緒當資源不足時會被阻塞；

def get_wait_time():      return random.random()/5.0    # 資源數0  S = threading.Semaphore(0)  def consumer(name):      S.acquire()      time.sleep(get_wait_time())      print name    def producer(name):      # time.sleep(0.1)      time.sleep(get_wait_time())      print name      S.release()    if __name__ == "__main__":      for i in xrange(5, 10):          c = threading.Thread(target=consumer, args=("consumer:%s"%i, ))          c.start()      for i in xrange(5):          p = threading.Thread(target=producer, args=("producer:%s"%i, ))          p.start()      time.sleep(2)

下面是一種可能的執行結果：

producer:3  producer:0  consumer:6  producer:4  producer:1  consumer:5  producer:2  consumer:7  consumer:8  consumer:9

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 條件Condition

接下來看一下另一種同步機制條件Condition，該同步條件不是很直觀，為了更好的查看其工作過程，先定義一些函數：

def get_time():      return time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")    def show_start_info(tname):      print '%s start at: %s' %(tname, get_time())    def show_acquire_info(tname):      print '%s acquire at: %s' % (tname, time.time())    def show_add_once_res(tname):      print '%s add: %s at: %s' % (tname, share_data, time.time())    def show_end_info(tname):      print 'End %s with: %s at: %s' % (tname, share_data, time.time())    def show_wait_info(tname):      print '%s wait at: %s' % (tname, time.time())

條件變數可以使執行緒已經獲得鎖的情況下，在條件不滿足的時候可以主動的放棄鎖，通知喚醒其他阻塞的執行緒；基本工作過程如下：

  • 創建一個全局條件變數對象；
  • 每一個執行緒執行前先acquire條件變數，獲取則執行，否則阻塞。
  • 當前執行執行緒推進過程中會判斷一些條件，如果條件不滿足則wait並主動釋放鎖，調用wait會使當前執行緒阻塞；
  • 判斷條件滿足，進行一些處理改變條件後，當前執行緒通過notify方法通知並喚醒其他執行緒，其他處於wait狀態的執行緒接到通知後會重新判斷條件，若滿足其執行條件就執行。注意調用notify不會釋放鎖；
  • 不斷的重複這一過程，直到任務完成。

這裡有一點不好理解，當前執行緒修改了條件之後，通過notify通知其他執行緒檢查其各自的執行條件是否滿足，但是條件變數持有的唯一的鎖被當前執行緒擁有而且沒有釋放，那麼其他執行緒怎麼執行？

Python文檔給出的說明如下：

Note: an awakened thread does not actually return from its wait() call until it can reacquire the lock. Since notify() does not release the lock, its caller should.

也就是說notify通知喚醒的執行緒不會從其wait函數返回，並繼續執行，而是直到其獲得了條件變數中的鎖。調用notify的執行緒應該主動釋放鎖，因為notify函數不會釋放。

那這裡就會有一個問題，當前執行緒修改了其他執行緒執行的條件，通知其他執行緒後並主動調用wait釋放鎖掛起自己，如果其他執行緒執行的條件均不滿足，那所有執行緒均會阻塞；

下面通過兩個執行緒交替列印字元”A”和“B”來說明條件變數的使用：

share_data, max_len = '#', 6  cond = threading.Condition()    def addA(tname):      show_start_info(tname)      cond.acquire()      time.sleep(1)      show_acquire_info(tname)      global share_data      while len(share_data) <= max_len:          if share_data[-1] != 'A':              share_data += 'A'              time.sleep(1)              cond.notify()              show_add_once_res(tname)          else:              # show_wait_info(tname)              cond.wait()      cond.release()      show_end_info(tname)    def addB(tname):      show_start_info(tname)      cond.acquire()      time.sleep(1)      show_acquire_info(tname)      global share_data      while len(share_data) <= max_len:          if share_data[-1] != 'B':              share_data += 'B'              time.sleep(1)              cond.notify()              show_add_once_res(tname)          else:              # show_wait_info(tname)              cond.wait()      cond.release()      show_end_info(tname)    if __name__ == "__main__":      t1 = threading.Thread(target=addA, args=("Thread 1", ))      t2 = threading.Thread(target=addB, args=("Thread 2", ))      t1.start()      t2.start()      t1.join()      t2.join()      print "share_data:", share_data

結果：

Thread 1 start at: 2019-08-10 17:47:54  Thread 2 start at: 2019-08-10 17:47:54  Thread 1 acquire at: 1565430475.68  Thread 1 add: #A at: 1565430476.68  Thread 2 acquire at: 1565430477.68  Thread 2 add: #AB at: 1565430478.68  Thread 1 add: #ABA at: 1565430479.68  Thread 2 add: #ABAB at: 1565430480.68  Thread 1 add: #ABABA at: 1565430481.68  Thread 2 add: #ABABAB at: 1565430482.68  End Thread 2 with: #ABABAB at: 1565430482.68  End Thread 1 with: #ABABAB at: 1565430482.68  share_data: #ABABAB

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 結果中可以看出雙執行緒執行的過程以及時間節點。

事件Event

最後再來看一種簡單粗暴的執行緒間同步方式：Event.

該方式的核心就是使用事件控制一個全局變數的狀態：True or False。執行緒執行過程中先判斷變數的值，為True就執行，否則調用wait阻塞自己；

當全局變數的狀態被set為True時，會喚醒所有調用wait而進入阻塞狀態的執行緒；需要暫停所有執行緒時，使用clear將全局變數設置為False；

下面使用一個兩個玩家擲骰子，一個裁判判斷勝負，共三輪的遊戲來演示一下事件event的使用；

E = threading.Event()  E.clear()  res1, res2, cnt, lst = 0, 0, 3, ("player2", 'both', 'player1')    def show_round_res():      print ("Stop! judging... %s win!" % lst[cmp(res1, res2) + 1])    def judge():      global cnt      while cnt > 0:          print 'start game!'          E.set()          time.sleep(1)          E.clear()          show_round_res()          time.sleep(1)          cnt -= 1      print "game over by judge!"    def player1():      global res1      while cnt > 0:          if E.is_set():              res1 = random.randint(1, 6)              print "player1 get %d" % res1              time.sleep(1.5)              E.wait()      print "player1 quit!"    def player2():      global res2      while cnt > 0:          if E.is_set():              res2 = random.randint(1, 6)              print "player2 get %d" % res2              time.sleep(1.5)              E.wait()      print "player2 quit!"      if __name__ == "__main__":      t1 = threading.Thread(target=judge, args=( ))      t2 = threading.Thread(target=player1, args=( ))      t3 = threading.Thread(target=player2, args=( ))      t1.start()      t2.start()      t3.start()      t1.join()      E.set()

有一點需要注意的是，執行緒調用wait時，只有當變數值為False時才會阻塞當前執行緒，如果全局變數是True，會立即返回；

下面是一種可能的結果：

start game!  player1 get 2  player2 get 2  Stop! judging... both win!  start game!  player2 get 3  player1 get 4  Stop! judging... player1 win!  start game!  player1 get 1  player2 get 3  Stop! judging... player2 win!  game over by judge!  player2 quit!  player1 quit!

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總結

上面是為了解決執行緒安全問題所採取的一些同步措施。Python為進程同步提供了類似執行緒的同步措施，例如鎖、訊號量等。

不同於執行緒間共享進程資源，進程擁有獨立的地址空間，不同進程記憶體空間是隔離的。

因此對於進程我們通常關注他們之間的通訊方式，後續會有文章介紹進程之間的通訊。

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