How does it work? — threading.Condition
- 2019 年 11 月 30 日
- 筆記
繼兩年前的上一篇文章之後，不靠譜部落客終於想起了How does it work這個坑。主要是近期也沒有遇到可值得分享的「精巧」的實現。之前其實也過了一遍threading模組的源碼，對裡面的各種鎖也只是有個大概印象，並且它們之前非常像，很容易讓人confusing。這次碰到實際需要，於是仔細看了一下源碼，發現還是有很多搞頭的。當然，你只是使用的話照著例子用就好了不會出錯，但還是值得花點工夫弄清裡面的原理。
Condition的使用示例
下面是我隨便從網上搜來的程式碼片段
Python
import threading, time class Hider(threading.Thread): def __init__(self, cond, name): super(Hider, self).__init__() self.cond = cond self.name = name def run(self): time.sleep(1) #確保先運行Seeker中的方法 self.cond.acquire() #b print self.name + ': 我已經把眼睛蒙上了' self.cond.notify() self.cond.wait() #c #f print self.name + ': 我找到你了 ~_~' self.cond.notify() self.cond.release() #g print self.name + ': 我贏了' #h class Seeker(threading.Thread): def __init__(self, cond, name): super(Seeker, self).__init__() self.cond = cond self.name = name def run(self): self.cond.acquire() self.cond.wait() #a #釋放對瑣的佔用，同時執行緒掛起在這裡，直到被notify並重新佔有瑣。 #d print self.name + ': 我已經藏好了，你快來找我吧' self.cond.notify() self.cond.wait() #e #h self.cond.release() print self.name + ': 被你找到了，哎~~~' cond = threading.Condition() seeker = Seeker(cond, 'seeker') hider = Hider(cond, 'hider') seeker.start() hider.start()
這裡用的捉迷藏，換成聊天也可以。其實就是兩個執行緒間的同步，一應一答。一個執行緒執行完操作以後通知另一方並等待應答。下面我們要解決一些問題：
- 它跟
Lock有什麼區別？ - 可以注意到雙方動作前都
acquire了同一個Condition，這樣不阻塞嗎？ - 為什麼一定要
acquire？我換成獲取一個普通的Lock行嗎？
Condition源碼分析
Condition的初始化方法為Condition(lock)，其中lock不傳的話默認是一個RLock()，即可重入鎖，關於鎖的區別比較好理解，這裡就不啰嗦了。初始完之後會把傳入的鎖存為屬性，然後Condition的acquire和release就只是對這個鎖的獲取釋放而已。所以：
Python
lock = Lock() cond = Condition(lock) cond.acquire() # 換成lock.acquire()完全等價，release類似
到此為止還看不出為何要用Condition而不用Lock，關鍵是下面兩個方法wait和notify，我把程式碼完整貼出附上自己的注釋：
Python
def wait(self, timeout=None): if not self._is_owned(): # 必須先獲取self._lock raise RuntimeError("cannot wait on un-acquired lock") waiter = _allocate_lock() # 新建一個鎖 waiter.acquire() # 獲取剛剛新建的鎖 self._waiters.append(waiter) # 加入waiters列表 saved_state = self._release_save() # 這裡釋放了self._lock gotit = False try: # restore state no matter what (e.g., KeyboardInterrupt) if timeout is None: waiter.acquire() # 再次獲取新建的鎖 gotit = True else: if timeout > 0: gotit = waiter.acquire(True, timeout) # 等待時間後返回 else: gotit = waiter.acquire(False) # timeout == 0, 立即返回 return gotit finally: self._acquire_restore(saved_state) # 重新恢復self._lock狀態 if not gotit: # 如果是非阻塞的(timeout != None) try: self._waiters.remove(waiter) # 從waiters列表刪除 except ValueError: pass
果然talk is cheap, show me the code，看了程式碼就一目了然了。可以看到self._lock（就是初始化時傳入的那個鎖）在第7行之前是佔用狀態的，此時其他執行緒不可插入，然後整個try-block里self._lock是釋放狀態可被其他執行緒獲取。通過再次獲取同一個waiter鎖達到了阻塞的效果，這樣看起來就像是新加入了一個等待者在等待某個事件。等待的這個事件，就是其他執行緒用同一個Condition實例調用的notify方法：
Python
def notify(self, n=1): if not self._is_owned(): raise RuntimeError("cannot notify on un-acquired lock") all_waiters = self._waiters # 獲取所有等待的鎖 waiters_to_notify = _deque(_islice(all_waiters, n)) # 只選給定數量的等待者，如果是notify_all方法則是全部 if not waiters_to_notify: return for waiter in waiters_to_notify: waiter.release() # try: all_waiters.remove(waiter) except ValueError: pass
可以看到notify方法全程都擁有鎖self._lock，這樣保證了只有Notify完成之後對方才能下一步動作。調用時序如下：
總結來說的話，就是只有wait()方法能主動釋放鎖，而notify()不能，所以waiter執行緒一定要先啟動，防止發生死鎖。
Event與Condition
threading中還有一個Event，與Condition非常類似。區別在於前者等待、監聽某個值is_set()為真，而後者只是一個通知等待的模型。並且Event中監聽值翻轉以後，正是通過Condition去通知等待者的。Event變成set以後，就「失效」了，要手動clear一次才能繼續使用用，而Condition是可以無限wait, notify循環的。
Python
class Event: def set(self): with self._cond: self._flag = True self._cond.notify_all()
其實，Condition也包含一個wait_for(eval_function, timeout)方法，用來等待某函數的返回值為真。這個方法用起來和Event的作用是很像的，你可以理解為Event只是提供了一個包裝好了的Condition。
