深入解析Python中的線程同步方法

同步訪問共享資源

在使用線程的時(shí)候，一個(gè)很重要的問題是要避免多個(gè)線程對(duì)同一變量或其它資源的訪問沖突。一旦你稍不留神，重疊訪問、在多個(gè)線程中修改（共享資源）等這些操作會(huì)導(dǎo)致各種各樣的問題；更嚴(yán)重的是，這些問題一般只會(huì)在比較極端（比如高并發(fā)、生產(chǎn)服務(wù)器、甚至在性能更好的硬件設(shè)備上）的情況下才會(huì)出現(xiàn)。

比如有這樣一個(gè)情況：需要追蹤對(duì)一事件處理的次數(shù)

counter = 0
 
def process_item(item):
  global counter
  ... do something with item ...
  counter += 1

如果你在多個(gè)線程中同時(shí)調(diào)用這個(gè)函數(shù)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)counter的值不是那么準(zhǔn)確。在大多數(shù)情況下它是對(duì)的，但有時(shí)它會(huì)比實(shí)際的少幾個(gè)。
出現(xiàn)這種情況的原因是，計(jì)數(shù)增加操作實(shí)際上分三步執(zhí)行:

• 解釋器獲取counter的當(dāng)前值
• 計(jì)算新值
• 將計(jì)算的新值回寫counter變量

考慮一下這種情況：在當(dāng)前線程獲取到counter值后，另一個(gè)線程搶占到了CPU，然后同樣也獲取到了counter值，并進(jìn)一步將counter值重新計(jì)算并完成回寫；之后時(shí)間片重新輪到當(dāng)前線程（這里僅作標(biāo)識(shí)區(qū)分，并非實(shí)際當(dāng)前），此時(shí)當(dāng)前線程獲取到counter值還是原來的，完成后續(xù)兩步操作后counter的值實(shí)際只加上1。
另一種常見情況是訪問不完整或不一致狀態(tài)。這類情況主要發(fā)生在一個(gè)線程正在初始化或更新數(shù)據(jù)時(shí)，另一個(gè)進(jìn)程卻嘗試讀取正在更改的數(shù)據(jù)。

原子操作
實(shí)現(xiàn)對(duì)共享變量或其它資源的同步訪問最簡(jiǎn)單的方法是依靠解釋器的原子操作。原子操作是在一步完成執(zhí)行的操作，在這一步中其它線程無法獲得該共享資源。
通常情況下，這種同步方法只對(duì)那些只由單個(gè)核心數(shù)據(jù)類型組成的共享資源有效，譬如，字符串變量、數(shù)字、列表或者字典等。下面是幾個(gè)線程安全的操作：

• 讀或者替換一個(gè)實(shí)例屬性
• 讀或者替換一個(gè)全局變量
• 從列表中獲取一項(xiàng)元素
• 原位修改一個(gè)列表（例如：使用append增加一個(gè)列表項(xiàng)）
• 從字典中獲取一項(xiàng)元素
• 原位修改一個(gè)字典（例如：增加一個(gè)字典項(xiàng)、調(diào)用clear方法）

注意，上面提到過，對(duì)一個(gè)變量或者屬性進(jìn)行讀操作，然后修改它，最終將其回寫不是線程安全的。因?yàn)榱硗庖粋€(gè)線程會(huì)在這個(gè)線程讀完卻沒有修改或回寫完成之前更改這個(gè)共享變量/屬性。

鎖

鎖是Python的threading模塊提供的最基本的同步機(jī)制。在任一時(shí)刻，一個(gè)鎖對(duì)象可能被一個(gè)線程獲取，或者不被任何線程獲取。如果一個(gè)線程嘗試去獲取一個(gè)已經(jīng)被另一個(gè)線程獲取到的鎖對(duì)象，那么這個(gè)想要獲取鎖對(duì)象的線程只能暫時(shí)終止執(zhí)行直到鎖對(duì)象被另一個(gè)線程釋放掉。
鎖通常被用來實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的同步訪問。為每一個(gè)共享資源創(chuàng)建一個(gè)Lock對(duì)象，當(dāng)你需要訪問該資源時(shí)，調(diào)用acquire方法來獲取鎖對(duì)象（如果其它線程已經(jīng)獲得了該鎖，則當(dāng)前線程需等待其被釋放），待資源訪問完后，再調(diào)用release方法釋放鎖：

lock = Lock()
 
lock.acquire() #: will block if lock is already held
... access shared resource
lock.release()

注意，即使在訪問共享資源的過程中出錯(cuò)了也應(yīng)該釋放鎖，可以用try-finally來達(dá)到這一目的：    
lock.acquire()
try:
  ... access shared resource
finally:
  lock.release() #: release lock, no matter what

在Python 2.5及以后的版本中，你可以使用with語句。在使用鎖的時(shí)候，with語句會(huì)在進(jìn)入語句塊之前自動(dòng)的獲取到該鎖對(duì)象，然后在語句塊執(zhí)行完成后自動(dòng)釋放掉鎖：    
from __future__ import with_statement #: 2.5 only
 
with lock:
  ... access shared resource

acquire方法帶一個(gè)可選的等待標(biāo)識(shí)，它可用于設(shè)定當(dāng)有其它線程占有鎖時(shí)是否阻塞。如果你將其值設(shè)為False，那么acquire方法將不再阻塞，只是如果該鎖被占有時(shí)它會(huì)返回False:    
if not lock.acquire(False):
  ... 鎖資源失敗
else:
  try:
    ... access shared resource
  finally:
    lock.release()

你可以使用locked方法來檢查一個(gè)鎖對(duì)象是否已被獲取，注意不能用該方法來判斷調(diào)用acquire方法時(shí)是否會(huì)阻塞，因?yàn)樵趌ocked方法調(diào)用完成到下一條語句（比如acquire）執(zhí)行之間該鎖有可能被其它線程占有。    
if not lock.locked():
  #: 其它線程可能在下一條語句執(zhí)行之前占有了該鎖
  lock.acquire() #: 可能會(huì)阻塞

簡(jiǎn)單鎖的缺點(diǎn)
標(biāo)準(zhǔn)的鎖對(duì)象并不關(guān)心當(dāng)前是哪個(gè)線程占有了該鎖；如果該鎖已經(jīng)被占有了，那么任何其它嘗試獲取該鎖的線程都會(huì)被阻塞，即使是占有鎖的這個(gè)線程。考慮一下下面這個(gè)例子：
lock = threading.Lock()
 
 
def get_first_part():
  lock.acquire()
  try:
    ... 從共享對(duì)象中獲取第一部分?jǐn)?shù)據(jù)
  finally:
    lock.release()
  return data
 
 
def get_second_part():
  lock.acquire()
  try:
    ... 從共享對(duì)象中獲取第二部分?jǐn)?shù)據(jù)
  finally:
    lock.release()
  return data

示例中，我們有一個(gè)共享資源，有兩個(gè)分別取這個(gè)共享資源第一部分和第二部分的函數(shù)。兩個(gè)訪問函數(shù)都使用了鎖來確保在獲取數(shù)據(jù)時(shí)沒有其它線程修改對(duì)應(yīng)的共享數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在，如果我們想添加第三個(gè)函數(shù)來獲取兩個(gè)部分的數(shù)據(jù)，我們將會(huì)陷入泥潭。一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是依次調(diào)用這兩個(gè)函數(shù)，然后返回結(jié)合的結(jié)果：
    
def get_both_parts():
  first = get_first_part()
  seconde = get_second_part()
  return first, second

這里的問題是，如有某個(gè)線程在兩個(gè)函數(shù)調(diào)用之間修改了共享資源，那么我們最終會(huì)得到不一致的數(shù)據(jù)。最明顯的解決方法是在這個(gè)函數(shù)中也使用lock:    
def get_both_parts():
  lock.acquire()
  try:
    first = get_first_part()
    seconde = get_second_part()
  finally:
    lock.release()
  return first, second

然而，這是不可行的。里面的兩個(gè)訪問函數(shù)將會(huì)阻塞，因?yàn)橥鈱诱Z句已經(jīng)占有了該鎖。為了解決這個(gè)問題，你可以通過使用標(biāo)記在訪問函數(shù)中讓外層語句釋放鎖，但這樣容易失去控制并導(dǎo)致出錯(cuò)。幸運(yùn)的是，threading模塊包含了一個(gè)更加實(shí)用的鎖實(shí)現(xiàn)：re-entrant鎖。
Re-Entrant Locks (RLock)

RLock類是簡(jiǎn)單鎖的另一個(gè)版本，它的特點(diǎn)在于，同一個(gè)鎖對(duì)象只有在被其它的線程占有時(shí)嘗試獲取才會(huì)發(fā)生阻塞；而簡(jiǎn)單鎖在同一個(gè)線程中同時(shí)只能被占有一次。如果當(dāng)前線程已經(jīng)占有了某個(gè)RLock鎖對(duì)象，那么當(dāng)前線程仍能再次獲取到該RLock鎖對(duì)象。    
lock = threading.Lock()
lock.acquire()
lock.acquire() #: 這里將會(huì)阻塞
 
lock = threading.RLock()
lock.acquire()
lock.acquire() #: 這里不會(huì)發(fā)生阻塞

RLock的主要作用是解決嵌套訪問共享資源的問題，就像前面描述的示例。要想解決前面示例中的問題，我們只需要將Lock換為RLock對(duì)象，這樣嵌套調(diào)用也會(huì)OK.
lock = threading.RLock()
 
 
def get_first_part():
  ... see above
 
 
def get_second_part():
  ... see above
 
 
def get_both_parts():
  ... see above

這樣既可以單獨(dú)訪問兩部分?jǐn)?shù)據(jù)也可以一次訪問兩部分?jǐn)?shù)據(jù)而不會(huì)被鎖阻塞或者獲得不一致的數(shù)據(jù)。
注意RLock會(huì)追蹤遞歸層級(jí)，因此記得在acquire后進(jìn)行release操作。
Semaphores

信號(hào)量是一個(gè)更高級(jí)的鎖機(jī)制。信號(hào)量?jī)?nèi)部有一個(gè)計(jì)數(shù)器而不像鎖對(duì)象內(nèi)部有鎖標(biāo)識(shí)，而且只有當(dāng)占用信號(hào)量的線程數(shù)超過信號(hào)量時(shí)線程才阻塞。這允許了多個(gè)線程可以同時(shí)訪問相同的代碼區(qū)。    
semaphore = threading.BoundedSemaphore()
semaphore.acquire() #: counter減小

... 訪問共享資源    
semaphore.release() #: counter增大

當(dāng)信號(hào)量被獲取的時(shí)候，計(jì)數(shù)器減??；當(dāng)信號(hào)量被釋放的時(shí)候，計(jì)數(shù)器增大。當(dāng)獲取信號(hào)量的時(shí)候，如果計(jì)數(shù)器值為0，則該進(jìn)程將阻塞。當(dāng)某一信號(hào)量被釋放，counter值增加為1時(shí)，被阻塞的線程（如果有的話）中會(huì)有一個(gè)得以繼續(xù)運(yùn)行。
信號(hào)量通常被用來限制對(duì)容量有限的資源的訪問，比如一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接或者數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。在這類場(chǎng)景中，只需要將計(jì)數(shù)器初始化為最大值，信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)將為你完成剩下的事情。    
max_connections = 10
 
semaphore = threading.BoundedSemaphore(max_connections)


如果你不傳任何初始化參數(shù)，計(jì)數(shù)器的值會(huì)被初始化為1.
Python的threading模塊提供了兩種信號(hào)量實(shí)現(xiàn)。Semaphore類提供了一個(gè)無限大小的信號(hào)量，你可以調(diào)用release任意次來增大計(jì)數(shù)器的值。為了避免錯(cuò)誤出現(xiàn)，最好使用BoundedSemaphore類，這樣當(dāng)你調(diào)用release的次數(shù)大于acquire次數(shù)時(shí)程序會(huì)出錯(cuò)提醒。
線程同步

鎖可以用在線程間的同步上。threading模塊包含了一些用于線程間同步的類。
Events

一個(gè)事件是一個(gè)簡(jiǎn)單的同步對(duì)象，事件表示為一個(gè)內(nèi)部標(biāo)識(shí)(internal flag)，線程等待這個(gè)標(biāo)識(shí)被其它線程設(shè)定，或者自己設(shè)定、清除這個(gè)標(biāo)識(shí)。    
event = threading.Event()
 
#: 一個(gè)客戶端線程等待flag被設(shè)定
event.wait()
 
#: 服務(wù)端線程設(shè)置或者清除flag
event.set()
event.clear()

一旦標(biāo)識(shí)被設(shè)定，wait方法就不做任何處理（不會(huì)阻塞），當(dāng)標(biāo)識(shí)被清除時(shí)，wait將被阻塞直至其被重新設(shè)定。任意數(shù)量的線程可能會(huì)等待同一個(gè)事件。
Conditions

條件是事件對(duì)象的高級(jí)版本。條件表現(xiàn)為程序中的某種狀態(tài)改變，線程可以等待給定條件或者條件發(fā)生的信號(hào)。
下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的生產(chǎn)者/消費(fèi)者實(shí)例。首先你需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)條件對(duì)象：
    
#: 表示一個(gè)資源的附屬項(xiàng)
condition = threading.Condition()
生產(chǎn)者線程在通知消費(fèi)者線程有新生成資源之前需要獲得條件：
#: 生產(chǎn)者線程
... 生產(chǎn)資源項(xiàng)
condition.acquire()
... 將資源項(xiàng)添加到資源中
condition.notify() #: 發(fā)出有可用資源的信號(hào)
condition.release()
消費(fèi)者必須獲取條件（以及相關(guān)聯(lián)的鎖），然后嘗試從資源中獲取資源項(xiàng)：
#: 消費(fèi)者線程
condition.acquire()
while True:
  ...從資源中獲取資源項(xiàng)
  if item:
    break
  condition.wait() #: 休眠，直至有新的資源
condition.release()
... 處理資源

wait方法釋放了鎖，然后將當(dāng)前線程阻塞，直到有其它線程調(diào)用了同一條件對(duì)象的notify或者notifyAll方法，然后又重新拿到鎖。如果同時(shí)有多個(gè)線程在等待，那么notify方法只會(huì)喚醒其中的一個(gè)線程，而notifyAll則會(huì)喚醒全部線程。
為了避免在wait方法處阻塞，你可以傳入一個(gè)超時(shí)參數(shù)，一個(gè)以秒為單位的浮點(diǎn)數(shù)。如果設(shè)置了超時(shí)參數(shù)，wait將會(huì)在指定時(shí)間返回，即使notify沒被調(diào)用。一旦使用了超時(shí)，你必須檢查資源來確定發(fā)生了什么。
注意，條件對(duì)象關(guān)聯(lián)著一個(gè)鎖，你必須在訪問條件之前獲取這個(gè)鎖；同樣的，你必須在完成對(duì)條件的訪問時(shí)釋放這個(gè)鎖。在生產(chǎn)代碼中，你應(yīng)該使用try-finally或者with.
可以通過將鎖對(duì)象作為條件構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)來讓條件關(guān)聯(lián)一個(gè)已經(jīng)存在的鎖，這可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)條件公用一個(gè)資源：    
lock = threading.RLock()
condition_1 = threading.Condition(lock)
condition_2 = threading.Condition(lock)

互斥鎖同步
我們先來看一個(gè)例子：    
#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
import time, threading
 
# 假定這是你的銀行存款:
balance = 0
muxlock = threading.Lock()
 
def change_it(n):
  # 先存后取，結(jié)果應(yīng)該為0:
  global balance
  balance = balance + n
  balance = balance - n
 
def run_thread(n):
  # 循環(huán)次數(shù)一旦多起來，最后的數(shù)字就變成非0
  for i in range(100000):
    change_it(n)
 
t1 = threading.Thread(target=run_thread, args=(5,))
t2 = threading.Thread(target=run_thread, args=(8,))
t3 = threading.Thread(target=run_thread, args=(9,))
t1.start()
t2.start()
t3.start()
t1.join()
t2.join()
t3.join()
print balance

結(jié)果 :
    
[/data/web/test_python]$ python multhread_threading.py
0
[/data/web/test_python]$ python multhread_threading.py
61
[/data/web/test_python]$ python multhread_threading.py
0
[/data/web/test_python]$ python multhread_threading.py
24

上面的例子引出了多線程編程的最常見問題：數(shù)據(jù)共享。當(dāng)多個(gè)線程都修改某一個(gè)共享數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要進(jìn)行同步控制。
線程同步能夠保證多個(gè)線程安全訪問競(jìng)爭(zhēng)資源，最簡(jiǎn)單的同步機(jī)制是引入互斥鎖?；コ怄i為資源引入一個(gè)狀態(tài)：鎖定/非鎖定。某個(gè)線程要更改共享數(shù)據(jù)時(shí)，先將其鎖定，此時(shí)資源的狀態(tài)為“鎖定”，其他線程不能更改；直到該線程釋放資源，將資源的狀態(tài)變成“非鎖定”，其他的線程才能再次鎖定該資源?；コ怄i保證了每次只有一個(gè)線程進(jìn)行寫入操作，從而保證了多線程情況下數(shù)據(jù)的正確性。

threading模塊中定義了Lock類，可以方便的處理鎖定：
#創(chuàng)建鎖mutex = threading.Lock()
#鎖定mutex.acquire([timeout])
#釋放mutex.release()

其中，鎖定方法acquire可以有一個(gè)超時(shí)時(shí)間的可選參數(shù)timeout。如果設(shè)定了timeout，則在超時(shí)后通過返回值可以判斷是否得到了鎖，從而可以進(jìn)行一些其他的處理。
使用互斥鎖實(shí)現(xiàn)上面的例子的代碼如下：    
balance = 0
muxlock = threading.Lock()
 
def change_it(n):
  # 獲取鎖，確保只有一個(gè)線程操作這個(gè)數(shù)
  muxlock.acquire()
  global balance
  balance = balance + n
  balance = balance - n
  # 釋放鎖，給其他被阻塞的線程繼續(xù)操作
  muxlock.release()
 
def run_thread(n):
  for i in range(10000):
    change_it(n)

加鎖后的結(jié)果，就能確保數(shù)據(jù)正確：    
[/data/web/test_python]$ python multhread_threading.py
0
[/data/web/test_python]$ python multhread_threading.py
0
[/data/web/test_python]$ python multhread_threading.py
0
[/data/web/test_python]$ python multhread_threading.py
0