Python面試官：請(qǐng)說(shuō)說(shuō)并發(fā)場(chǎng)景鎖怎么用？

今天的文章，我們一起來(lái)聊聊多線程場(chǎng)景當(dāng)中不可或缺的另外一個(gè)部分——鎖。

如果你學(xué)過(guò)操作系統(tǒng)，那么對(duì)于鎖應(yīng)該不陌生。鎖的含義是線程鎖，可以用來(lái)指定某一個(gè)邏輯或者是資源同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程訪問(wèn)。這個(gè)很好理解，就好像是有一個(gè)房間被一把鎖鎖住了，只有拿到鑰匙的人才能進(jìn)入。每一個(gè)人從房間門(mén)口拿到鑰匙進(jìn)入房間，出房間的時(shí)候會(huì)把鑰匙再放回到門(mén)口。這樣下一個(gè)到門(mén)口的人就可以拿到鑰匙了。這里的房間就是某一個(gè)資源或者是一段邏輯，而拿取鑰匙的人其實(shí)指的是一個(gè)線程。

加鎖的原因

我們明白了鎖的原理，不禁有了一個(gè)問(wèn)題，我們?yōu)槭裁葱枰i呢，它在哪些場(chǎng)景當(dāng)中會(huì)用到呢？

其實(shí)它的使用場(chǎng)景非常廣，我們舉一個(gè)非常簡(jiǎn)單的例子，就是淘寶買(mǎi)東西。我們都知道商家的庫(kù)存都是有限的，賣(mài)掉一個(gè)少一個(gè)。假如說(shuō)當(dāng)前某個(gè)商品庫(kù)存只剩下一個(gè)，但當(dāng)下卻有兩個(gè)人同時(shí)購(gòu)買(mǎi)。兩個(gè)人同時(shí)購(gòu)買(mǎi)也就是有兩個(gè)請(qǐng)求同時(shí)發(fā)起購(gòu)買(mǎi)請(qǐng)求，如果我們不加鎖的話(huà)，兩個(gè)線程同時(shí)查詢(xún)到商品的庫(kù)存是1，大于0，進(jìn)行購(gòu)買(mǎi)邏輯之后，同時(shí)減一。由于兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行，所以最后商品的庫(kù)存會(huì)變成-1。

顯然商品的庫(kù)存不應(yīng)該是一個(gè)負(fù)數(shù)，所以我們需要避免這種情況發(fā)生。通過(guò)加鎖可以完美解決這個(gè)問(wèn)題。我們規(guī)定一次只能有一個(gè)線程發(fā)起購(gòu)買(mǎi)的請(qǐng)求，那么這樣當(dāng)一個(gè)線程將庫(kù)存減到0的時(shí)候，第二個(gè)請(qǐng)求就無(wú)法修改了，就保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

代碼實(shí)現(xiàn)

那么在Python當(dāng)中，我們?cè)趺礃觼?lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)鎖呢？

其實(shí)很簡(jiǎn)單，threading庫(kù)當(dāng)中已經(jīng)為我們提供了線程的工具，我們直接拿過(guò)來(lái)用就可以了。我們通過(guò)使用threading當(dāng)中的Lock對(duì)象， 可以很輕易的實(shí)現(xiàn)方法加鎖的功能。

import?threading

class?PurchaseRequest:
????'''
????初始化庫(kù)存與鎖
????'''
????def?__init__(self,?initial_value?=?0):
????????self._value?=?initial_value
????????self._lock?=?threading.Lock()

????def?incr(self,delta=1):
????????'''
????????加庫(kù)存
????????'''
????????self._lock.acquire()
????????self._value?+=?delta
????????self._lock.release()

????def?decr(self,delta=1):
????????'''
????????減庫(kù)存
????????'''
????????self._lock.acquire()
????????self._value?-=?delta
????????self._lock.release()

我們從代碼當(dāng)中就可以很輕易的看出Lock這個(gè)對(duì)象的使用方法，我們?cè)谶M(jìn)入加鎖區(qū)（資源搶占區(qū)）之前，我們需要先使用lock.acquire()方法獲取鎖。Lock對(duì)象可以保證同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程獲取鎖，只有獲取了鎖之后才會(huì)繼續(xù)往下執(zhí)行。當(dāng)我們執(zhí)行完成之后，我們需要把鎖“放回門(mén)口”，所以需要再調(diào)用一下release方法，表示鎖的釋放。

這里有一個(gè)小問(wèn)題是很多程序員在編程的時(shí)候總是會(huì)忘記release，導(dǎo)致不必要的bug，而且這種分布式場(chǎng)景當(dāng)中的bug很難通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)。因?yàn)闇y(cè)試的時(shí)候往往很難測(cè)試并發(fā)場(chǎng)景，code review的時(shí)候也很容易忽略，因此一旦泄露了還是挺難發(fā)現(xiàn)的。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，Lock還提供了一種改進(jìn)的用法，就是使用with語(yǔ)句。with語(yǔ)句我們之前在使用文件的時(shí)候用到過(guò)，使用with可以替我們完成try catch以及資源回收等工作，我們只管用就完事了。這里也是一樣，使用with之后我們就可以不用管鎖的申請(qǐng)和釋放了，直接寫(xiě)代碼就行，所以上面的代碼可以改寫(xiě)成這樣：

import?threading

class?PurchaseRequest:
????'''
????初始化庫(kù)存與鎖
????'''
????def?__init__(self,?initial_value?=?0):
????????self._value?=?initial_value
????????self._lock?=?threading.Lock()

????def?incr(self,delta=1):
????????'''
????????加庫(kù)存
????????'''
??with?self._lock:
?????????self._value?+=?delta

????def?decr(self,delta=1):
????????'''
????????減庫(kù)存
????????'''
????????with?self._lock:
?????????self._value?-=?delta

這樣看起來(lái)是不是清爽很多？

可重入鎖

上面介紹的只是最簡(jiǎn)單的鎖，我們經(jīng)常使用的往往是可重入鎖。

什么叫可重入鎖呢？簡(jiǎn)單解釋一下，就是在一個(gè)線程已經(jīng)持有了鎖的情況下，它可以再次進(jìn)入被加鎖的區(qū)域。但是既然線程還持有鎖沒(méi)有釋放，那么它不應(yīng)該還是在加鎖區(qū)域嗎，怎么會(huì)有需要再次進(jìn)入被加鎖區(qū)域的情況呢？其實(shí)是有的，道理也很簡(jiǎn)單，就是遞歸。

我們把上面的例子稍微改一點(diǎn)點(diǎn)，就完全不一樣了。

import?threading

class?PurchaseRequest:
????'''
????初始化庫(kù)存與鎖
????'''
????def?__init__(self,?initial_value?=?0):
????????self._value?=?initial_value
????????self._lock?=?threading.Lock()

????def?incr(self,delta=1):
????????'''
????????加庫(kù)存
????????'''
??with?self._lock:
?????????self._value?+=?delta

????def?decr(self,delta=1):
????????'''
????????減庫(kù)存
????????'''
????????with?self._lock:
?????????self.incr(-delta)

我們關(guān)注一下上面的decr方法，我們用incr來(lái)代替了原本的邏輯實(shí)現(xiàn)了decr。但是有一個(gè)問(wèn)題是decr也是一個(gè)加鎖的方法，需要前一個(gè)鎖釋放了才能進(jìn)入。但它已經(jīng)持有了鎖了，那么這種情況下就會(huì)發(fā)生死鎖。

我們只需要把Lock換成可重入鎖就可以解決這個(gè)問(wèn)題，只需要修改一行代碼。

import?threading

class?PurchaseRequest:
????'''
????初始化庫(kù)存與鎖
????我們使用RLock代替了Lock，也可重入鎖代替了普通鎖
????'''
????def?__init__(self,?initial_value?=?0):
????????self._value?=?initial_value
????????self._lock?=?threading.RLock()

????def?incr(self,delta=1):
????????'''
????????加庫(kù)存
????????'''
??with?self._lock:
?????????self._value?+=?delta

????def?decr(self,delta=1):
????????'''
????????減庫(kù)存
????????'''
????????with?self._lock:
?????????self.incr(-delta)

總結(jié)