Python線程同步機制

同步訪問共享資源

在使用線程的時候，一個很重要的問題是要避免多個線程對同一變量或其它資源的訪問衝突。一旦你稍不留神，重疊訪問、在多個線程中修改（共享資源）等這些操作會導致各種各樣的問題；更嚴重的是，這些問題一般只會在比較極端（比如高併發、生產服務器、甚至在性能更好的硬件設備上）的情況下才會出現。

比如有這樣一個情況：需要追蹤對一事件處理的次數

counter = 0

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

如果你在多個線程中同時調用這個函數，你會發現counter的值不是那麼準確。在大多數情況下它是對的，但有時它會比實際的少幾個。

出現這種情況的原因是，計數增加操作實際上分三步執行:

• 解釋器獲取counter的當前值
• 計算新值
• 將計算的新值回寫counter變量

考慮一下這種情況：在當前線程獲取到counter值後，另一個線程搶佔到了CPU，然後同樣也獲取到了counter值，並進一步將counter值重新計算並完成回寫；之後時間片重新輪到當前線程（這裏僅作標識區分，並非實際當前），此時當前線程獲取到counter值還是原來的，完成後續兩步操作後counter的值實際只加上1。

另一種常見情況是訪問不完整或不一致狀態。這類情況主要發生在一個線程正在初始化或更新數據時，另一個進程卻嘗試讀取正在更改的數據。

原子操作

實現對共享變量或其它資源的同步訪問最簡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，這種同步方法只對那些只由單個核心數據類型組成的共享資源有效，譬如，字符串變量、數字、列表或者字典等。下面是幾個線程安全的操作：

• 讀或者替換一個實例屬性
• 讀或者替換一個全局變量
• 從列表中獲取一項元素
• 原位修改一個列表（例如：使用append增加一個列表項）
• 從字典中獲取一項元素
• 原位修改一個字典（例如：增加一個字典項、調用clear方法）

注意，上面提到過，對一個變量或者屬性進行讀操作，然後修改它，最終將其回寫不是線程安全的。因爲另外一個線程會在這個線程讀完卻沒有修改或回寫完成之前更改這個共享變量/屬性。

鎖

鎖是Python的threading模塊提供的最基本的同步機制。在任一時刻，一個鎖對象可能被一個線程獲取，或者不被任何線程獲取。如果一個線程嘗試去獲取一個已經被另一個線程獲取到的鎖對象，那麼這個想要獲取鎖對象的線程只能暫時終止執行直到鎖對象被另一個線程釋放掉。

鎖通常被用來實現對共享資源的同步訪問。爲每一個共享資源創建一個Lock對象，當你需要訪問該資源時，調用acquire方法來獲取鎖對象（如果其它線程已經獲得了該鎖，則當前線程需等待其被釋放），待資源訪問完後，再調用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了也應該釋放鎖，可以用try-finally來達到這一目的：

lock.acquire()
try:
    ... access shared resource
finally:
    lock.release()  #: release lock, no matter what

在Python 2.5及以後的版本中，你可以使用with語句。在使用鎖的時候，with語句會在進入語句塊之前自動的獲取到該鎖對象，然後在語句塊執行完成後自動釋放掉鎖：

from __future__ import with_statement  #: 2.5 only

with lock:
… access shared resource

acquire方法帶一個可選的等待標識，它可用於設定當有其它線程佔有鎖時是否阻塞。如果你將其值設爲False，那麼acquire方法將不再阻塞，只是如果該鎖被佔有時它會返回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方法來檢查一個鎖對象是否已被獲取，注意不能用該方法來判斷調用acquire方法時是否會阻塞，因爲在locked方法調用完成到下一條語句（比如acquire）執行之間該鎖有可能被其它線程佔有。

if not lock.locked():
    #: 其它線程可能在下一條語句執行之前佔有了該鎖
    lock.acquire()  #: 可能會阻塞

簡單鎖的缺點

標準的鎖對象並不關心當前是哪個線程佔有了該鎖；如果該鎖已經被佔有了，那麼任何其它嘗試獲取該鎖的線程都會被阻塞，即使是佔有鎖的這個線程。考慮一下下面這個例子：

lock = threading.Lock()

def get_first_part():
lock.acquire()
try:
… 從共享對象中獲取第一部分數據
finally:
lock.release()
return data

def get_second_part():
lock.acquire()
try:
… 從共享對象中獲取第二部分數據
finally:
lock.release()
return data

示例中，我們有一個共享資源，有兩個分別取這個共享資源第一部分和第二部分的函數。兩個訪問函數都使用了鎖來確保在獲取數據時沒有其它線程修改對應的共享數據。

現在，如果我們想添加第三個函數來獲取兩個部分的數據，我們將會陷入泥潭。一個簡單的方法是依次調用這兩個函數，然後返回結合的結果：

def get_both_parts():
    first = get_first_part()
    seconde = get_second_part()
    return first, second

這裏的問題是，如有某個線程在兩個函數調用之間修改了共享資源，那麼我們最終會得到不一致的數據。最明顯的解決方法是在這個函數中也使用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。裏面的兩個訪問函數將會阻塞，因爲外層語句已經佔有了該鎖。爲了解決這個問題，你可以通過使用標記在訪問函數中讓外層語句釋放鎖，但這樣容易失去控制並導致出錯。幸運的是，threading模塊包含了一個更加實用的鎖實現：re-entrant鎖。

Re-Entrant Locks (RLock)

RLock類是簡單鎖的另一個版本，它的特點在於，同一個鎖對象只有在被其它的線程佔有時嘗試獲取纔會發生阻塞；而簡單鎖在同一個線程中同時只能被佔有一次。如果當前線程已經佔有了某個RLock鎖對象，那麼當前線程仍能再次獲取到該RLock鎖對象。

lock = threading.Lock()
lock.acquire()
lock.acquire()  #: 這裏將會阻塞

lock = threading.RLock()
lock.acquire()
lock.acquire() #: 這裏不會發生阻塞

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換爲RLock對象，這樣嵌套調用也會OK.

lock = threading.RLock()

def get_first_part():
… see above

def get_second_part():
… see above

def get_both_parts():
… see above

這樣既可以單獨訪問兩部分數據也可以一次訪問兩部分數據而不會被鎖阻塞或者獲得不一致的數據。

注意RLock會追蹤遞歸層級，因此記得在acquire後進行release操作。

Semaphores

信號量是一個更高級的鎖機制。信號量內部有一個計數器而不像鎖對象內部有鎖標識，而且只有當佔用信號量的線程數超過信號量時線程才阻塞。這允許了多個線程可以同時訪問相同的代碼區。

semaphore = threading.BoundedSemaphore()
semaphore.acquire()  #: counter減小
... 訪問共享資源
semaphore.release()  #: counter增大

當信號量被獲取的時候，計數器減小；當信號量被釋放的時候，計數器增大。當獲取信號量的時候，如果計數器值爲0，則該進程將阻塞。當某一信號量被釋放，counter值增加爲1時，被阻塞的線程（如果有的話）中會有一個得以繼續運行。

信號量通常被用來限制對容量有限的資源的訪問，比如一個網絡連接或者數據庫服務器。在這類場景中，只需要將計數器初始化爲最大值，信號量的實現將爲你完成剩下的事情。

max_connections = 10

semaphore = threading.BoundedSemaphore(max_connections)

如果你不傳任何初始化參數，計數器的值會被初始化爲1.

Python的threading模塊提供了兩種信號量實現。Semaphore類提供了一個無限大小的信號量，你可以調用release任意次來增大計數器的值。爲了避免錯誤出現，最好使用BoundedSemaphore類，這樣當你調用release的次數大於acquire次數時程序會出錯提醒。

線程同步

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

Events

一個事件是一個簡單的同步對象，事件表示爲一個內部標識(internal flag)，線程等待這個標識被其它線程設定，或者自己設定、清除這個標識。

event = threading.Event()

#: 一個客戶端線程等待flag被設定
event.wait()

#: 服務端線程設置或者清除flag
event.set()
event.clear()

一旦標識被設定，wait方法就不做任何處理（不會阻塞），當標識被清除時，wait將被阻塞直至其被重新設定。任意數量的線程可能會等待同一個事件。

Conditions

條件是事件對象的高級版本。條件表現爲程序中的某種狀態改變，線程可以等待給定條件或者條件發生的信號。

下面是一個簡單的生產者/消費者實例。首先你需要創建一個條件對象：

#: 表示一個資源的附屬項
condition = threading.Condition()

生產者線程在通知消費者線程有新生成資源之前需要獲得條件：

#: 生產者線程
... 生產資源項
condition.acquire()
... 將資源項添加到資源中
condition.notify()  #: 發出有可用資源的信號
condition.release()

消費者必須獲取條件（以及相關聯的鎖），然後嘗試從資源中獲取資源項：

#: 消費者線程
condition.acquire()
while True:
    ...從資源中獲取資源項
    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，然後將當前線程阻塞，直到有其它線程調用了同一條件對象的notify或者notifyAll方法，然後又重新拿到鎖。如果同時有多個線程在等待，那麼notify方法只會喚醒其中的一個線程，而notifyAll則會喚醒全部線程。

爲了避免在wait方法處阻塞，你可以傳入一個超時參數，一個以秒爲單位的浮點數。如果設置了超時參數，wait將會在指定時間返回，即使notify沒被調用。一旦使用了超時，你必須檢查資源來確定發生了什麼。

注意，條件對象關聯着一個鎖，你必須在訪問條件之前獲取這個鎖；同樣的，你必須在完成對條件的訪問時釋放這個鎖。在生產代碼中，你應該使用try-finally或者with.

可以通過將鎖對象作爲條件構造函數的參數來讓條件關聯一個已經存在的鎖，這可以實現多個條件公用一個資源：

lock = threading.RLock()
condition_1 = threading.Condition(lock)
condition_2 = threading.Condition(lock)

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