詳解 5 種 Python 線程鎖

對于日常開發(fā)者來講很少會使用到本文的內(nèi)容，但是對框架作者等是必備知識，同時也是高頻的面試常見問題。

官方文檔(https://docs.python.org/zh-cn/3.6/library/threading.html)

# 線程安全

線程安全是多線程或多進程編程中的一個概念，在擁有共享數(shù)據(jù)的多條線程并行執(zhí)行的程序中，線程安全的代碼會通過同步機制保證各個線程都可以正常且正確的執(zhí)行，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)污染等意外情況。

線程安全的問題最主要還是由線程切換導致的，比如一個房間（進程）中有10顆糖（資源），除此之外還有3個小人（1個主線程、2個子線程），當小人A吃了3顆糖后被系統(tǒng)強制進行休息時他認為還剩下7顆糖，而當小人B工作后又吃掉了3顆糖，那么當小人A重新上崗時會認為糖還剩下7顆，但是實際上只有4顆了。

上述例子中線程A和線程B的數(shù)據(jù)不同步，這就是線程安全問題，它可能導致非常嚴重的意外情況發(fā)生，我們按下面這個示例來進行說明。

下面有一個數(shù)值num初始值為0，我們開啟2條線程：

• 線程1對num進行一千萬次+1的操作

• 線程2對num進行一千萬次-1的操作

結(jié)果可能會令人咋舌，num最后并不是我們所想象的結(jié)果0：

import?threading

num?=?0


def?add():
????global?num
????for?i?in?range(10_000_000):
????????num?+=?1


def?sub():
????global?num
????for?i?in?range(10_000_000):
????????num?-=?1


if?__name__?==?"__main__":
????subThread01?=?threading.Thread(target=add)
????subThread02?=?threading.Thread(target=sub)

????subThread01.start()
????subThread02.start()

????subThread01.join()
????subThread02.join()

????print("num?result?:?%s"?%?num)

#?結(jié)果三次采集
#?num?result?:?669214
#?num?result?:?-1849179
#?num?result?:?-525674

上面這就是一個非常好的案例，想要解決這個問題就必須通過鎖來保障線程切換的時機。

需要我們值得留意的是，在Python基本數(shù)據(jù)類型中l(wèi)ist、tuple、dict本身就是屬于線程安全的，所以如果有多個線程對這3種容器做操作時，我們不必考慮線程安全問題。

# 鎖的作用

鎖是Python提供給我們能夠自行操控線程切換的一種手段，使用鎖可以讓線程的切換變的有序。

一旦線程的切換變的有序后，各個線程之間對數(shù)據(jù)的訪問、修改就變的可控，所以若要保證線程安全，就必須使用鎖。

threading模塊中提供了5種最常見的鎖，下面是按照功能進行劃分：

• 同步鎖：lock（一次只能放行一個）

• 遞歸鎖：rlock（一次只能放行一個）

• 條件鎖：condition（一次可以放行任意個）

• 事件鎖：event（一次全部放行）

• 信號量鎖：semaphore（一次可以放行特定個）

# 1、Lock() 同步鎖

?基本介紹

Lock鎖的稱呼有很多，如：

• 同步鎖

• 互斥鎖

它們是什么意思呢？如下所示：

1. 互斥指的是某一資源同一時刻僅能有一個訪問者對其進行訪問，具有唯一性和排他性，但是互斥無法限制訪問者對資源的訪問順序，即訪問是無序的

2. 同步是指在互斥的基礎(chǔ)上（大多數(shù)情況），通過其他機制實現(xiàn)訪問者對資源的有序訪問

3. 同步其實已經(jīng)實現(xiàn)了互斥，是互斥的一種更為復雜的實現(xiàn)，因為它在互斥的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了有序訪問的特點

下面是threading模塊與同步鎖提供的相關(guān)方法：

?使用方式

同步鎖一次只能放行一個線程，一個被加鎖的線程在運行時不會將執(zhí)行權(quán)交出去，只有當該線程被解鎖時才會將執(zhí)行權(quán)通過系統(tǒng)調(diào)度交由其他線程。

如下所示，使用同步鎖解決最上面的問題：

import?threading

num?=?0


def?add():
????lock.acquire()
????global?num
????for?i?in?range(10_000_000):
????????num?+=?1
????lock.release()


def?sub():
????lock.acquire()
????global?num
????for?i?in?range(10_000_000):
????????num?-=?1
????lock.release()

if?__name__?==?"__main__":
????lock?=?threading.Lock()

????subThread01?=?threading.Thread(target=add)
????subThread02?=?threading.Thread(target=sub)

????subThread01.start()
????subThread02.start()

????subThread01.join()
????subThread02.join()

????print("num?result?:?%s"?%?num)

#?結(jié)果三次采集
#?num?result?:?0
#?num?result?:?0
#?num?result?:?0

這樣這個代碼就完全變成了串行的狀態(tài)，對于這種計算密集型I/O業(yè)務(wù)來說，還不如直接使用串行化單線程執(zhí)行來得快，所以這個例子僅作為一個示例，不能概述鎖真正的用途。

?死鎖現(xiàn)象

對于同步鎖來說，一次acquire()必須對應(yīng)一次release()，不能出現(xiàn)連續(xù)重復使用多次acquire()后再重復使用多次release()的操作，這樣會引起死鎖造成程序的阻塞，完全不動了，如下所示：

import?threading

num?=?0


def?add():
????lock.acquire()??#?上鎖
????lock.acquire()??#?死鎖
????#?不執(zhí)行
????global?num
????for?i?in?range(10_000_000):
????????num?+=?1
????lock.release()
????lock.release()


def?sub():
????lock.acquire()??#?上鎖
????lock.acquire()??#?死鎖
????#?不執(zhí)行
????global?num
????for?i?in?range(10_000_000):
????????num?-=?1
????lock.release()
????lock.release()


if?__name__?==?"__main__":
????lock?=?threading.Lock()

????subThread01?=?threading.Thread(target=add)
????subThread02?=?threading.Thread(target=sub)

????subThread01.start()
????subThread02.start()

????subThread01.join()
????subThread02.join()

????print("num?result?:?%s"?%?num)

?with語句

由于threading.Lock()對象中實現(xiàn)了enter__()與__exit()方法，故我們可以使用with語句進行上下文管理形式的加鎖解鎖操作：

import?threading

num?=?0


def?add():
????with?lock:
????????#?自動加鎖
????????global?num
????????for?i?in?range(10_000_000):
????????????num?+=?1
????????#?自動解鎖


def?sub():
????with?lock:
????????#?自動加鎖
????????global?num
????????for?i?in?range(10_000_000):
????????????num?-=?1
????????#?自動解鎖


if?__name__?==?"__main__":
????lock?=?threading.Lock()

????subThread01?=?threading.Thread(target=add)
????subThread02?=?threading.Thread(target=sub)

????subThread01.start()
????subThread02.start()

????subThread01.join()
????subThread02.join()

????print("num?result?:?%s"?%?num)

#?結(jié)果三次采集
#?num?result?:?0
#?num?result?:?0
#?num?result?:?0

# 2、RLock() 遞歸鎖

?基本介紹

遞歸鎖是同步鎖的一個升級版本，在同步鎖的基礎(chǔ)上可以做到連續(xù)重復使用多次acquire()后再重復使用多次release()的操作，但是一定要注意加鎖次數(shù)和解鎖次數(shù)必須一致，否則也將引發(fā)死鎖現(xiàn)象。

下面是threading模塊與遞歸鎖提供的相關(guān)方法：

?使用方式

以下是遞歸鎖的簡單使用，下面這段操作如果使用同步鎖則會發(fā)生死鎖現(xiàn)象，但是遞歸鎖不會：

import?threading

num?=?0


def?add():
????lock.acquire()
????lock.acquire()
????global?num
????for?i?in?range(10_000_000):
????????num?+=?1
????lock.release()
????lock.release()


def?sub():
????lock.acquire()
????lock.acquire()
????global?num
????for?i?in?range(10_000_000):
????????num?-=?1
????lock.release()
????lock.release()


if?__name__?==?"__main__":
????lock?=?threading.RLock()

????subThread01?=?threading.Thread(target=add)
????subThread02?=?threading.Thread(target=sub)

????subThread01.start()
????subThread02.start()

????subThread01.join()
????subThread02.join()

????print("num?result?:?%s"?%?num)

#?結(jié)果三次采集
#?num?result?:?0
#?num?result?:?0
#?num?result?:?0

?with語句

由于threading.RLock()對象中實現(xiàn)了enter__()與__exit()方法，故我們可以使用with語句進行上下文管理形式的加鎖解鎖操作：

import?threading

num?=?0


def?add():
????with?lock:
????????#?自動加鎖
????????global?num
????????for?i?in?range(10_000_000):
????????????num?+=?1
????????#?自動解鎖


def?sub():
????with?lock:
????????#?自動加鎖
????????global?num
????????for?i?in?range(10_000_000):
????????????num?-=?1
????????#?自動解鎖


if?__name__?==?"__main__":
????lock?=?threading.RLock()

????subThread01?=?threading.Thread(target=add)
????subThread02?=?threading.Thread(target=sub)

????subThread01.start()
????subThread02.start()

????subThread01.join()
????subThread02.join()

????print("num?result?:?%s"?%?num)

#?結(jié)果三次采集
#?num?result?:?0
#?num?result?:?0
#?num?result?:?0

# 3、Condition() 條件鎖

?基本介紹

條件鎖是在遞歸鎖的基礎(chǔ)上增加了能夠暫停線程運行的功能。并且我們可以使用wait()與notify()來控制線程執(zhí)行的個數(shù)。

注意：條件鎖可以自由設(shè)定一次放行幾個線程。

下面是threading模塊與條件鎖提供的相關(guān)方法：

?使用方式

下面這個案例會啟動10個子線程，并且會立即將10個子線程設(shè)置為等待狀態(tài)。

然后我們可以發(fā)送一個或者多個通知，來恢復被等待的子線程繼續(xù)運行：

import?threading

currentRunThreadNumber?=?0
maxSubThreadNumber?=?10


def?task():
????global?currentRunThreadNumber
????thName?=?threading.currentThread().name

????condLock.acquire()??#?上鎖
????print("start?and?wait?run?thread?:?%s"?%?thName)

????condLock.wait()??#?暫停線程運行、等待喚醒
????currentRunThreadNumber?+=?1
????print("carry?on?run?thread?:?%s"?%?thName)

????condLock.release()??#?解鎖


if?__name__?==?"__main__":
????condLock?=?threading.Condition()

????for?i?in?range(maxSubThreadNumber):
????????subThreadIns?=?threading.Thread(target=task)
????????subThreadIns.start()

????while?currentRunThreadNumber?????????notifyNumber?=?int(
????????????input("Please enter the number of threads that need to be notified to run："))

????????condLock.acquire()
????????condLock.notify(notifyNumber)??#?放行
????????condLock.release()

????print("main?thread?run?end")

#?先啟動10個子線程，然后這些子線程會全部變?yōu)榈却隣顟B(tài)
#?start?and?wait?run?thread?:?Thread-1
#?start?and?wait?run?thread?:?Thread-2
#?start?and?wait?run?thread?:?Thread-3
#?start?and?wait?run?thread?:?Thread-4
#?start?and?wait?run?thread?:?Thread-5
#?start?and?wait?run?thread?:?Thread-6
#?start?and?wait?run?thread?:?Thread-7
#?start?and?wait?run?thread?:?Thread-8
#?start?and?wait?run?thread?:?Thread-9
#?start?and?wait?run?thread?:?Thread-10

#?批量發(fā)送通知，放行特定數(shù)量的子線程繼續(xù)運行
# Please enter the number of threads that need to be notified to run：5 ?#?放行5個
#?carry?on?run?thread?:?Thread-4
#?carry?on?run?thread?:?Thread-3
#?carry?on?run?thread?:?Thread-1
#?carry?on?run?thread?:?Thread-2
#?carry?on?run?thread?:?Thread-5

# Please enter the number of threads that need to be notified to run：5 ?#?放行5個
#?carry?on?run?thread?:?Thread-8
#?carry?on?run?thread?:?Thread-10
#?carry?on?run?thread?:?Thread-6
#?carry?on?run?thread?:?Thread-9
#?carry?on?run?thread?:?Thread-7

# Please enter the number of threads that need to be notified to run：1
#?main?thread?run?end

?with語句

由于threading.Condition()對象中實現(xiàn)了enter__()與__exit()方法，故我們可以使用with語句進行上下文管理形式的加鎖解鎖操作：

import?threading

currentRunThreadNumber?=?0
maxSubThreadNumber?=?10


def?task():
????global?currentRunThreadNumber
????thName?=?threading.currentThread().name

????with?condLock:
????????print("start?and?wait?run?thread?:?%s"?%?thName)
????????condLock.wait()??#?暫停線程運行、等待喚醒
????????currentRunThreadNumber?+=?1
????????print("carry?on?run?thread?:?%s"?%?thName)


if?__name__?==?"__main__":
????condLock?=?threading.Condition()

????for?i?in?range(maxSubThreadNumber):
????????subThreadIns?=?threading.Thread(target=task)
????????subThreadIns.start()

????while?currentRunThreadNumber?????????notifyNumber?=?int(
????????????input("Please enter the number of threads that need to be notified to run："))

????????with?condLock:
????????????condLock.notify(notifyNumber)??#?放行

????print("main?thread?run?end")

# 4、Event() 事件鎖

?基本介紹

事件鎖是基于條件鎖來做的，它與條件鎖的區(qū)別在于一次只能放行全部，不能放行任意個數(shù)量的子線程繼續(xù)運行。

我們可以將事件鎖看為紅綠燈，當紅燈時所有子線程都暫停運行，并進入“等待”狀態(tài)，當綠燈時所有子線程都恢復“運行”。

下面是threading模塊與事件鎖提供的相關(guān)方法：

?使用方式

事件鎖不能利用with語句來進行使用，只能按照常規(guī)方式。

如下所示，我們來模擬線程和紅綠燈的操作，紅燈停，綠燈行：

import?threadingmaxSubThreadNumber?=?3def?task():????thName?=?threading.currentThread().name????print("start?and?wait?run?thread?:?%s"?%?thName)????eventLock.wait()??#?暫停運行，等待綠燈????print("green?light,?%s?carry?on?run"?%?thName)????print("red?light,?%s?stop?run"?%?thName)????eventLock.wait()??#?暫停運行，等待綠燈????print("green?light,?%s?carry?on?run"?%?thName)????print("sub?thread?%s?run?end"?%?thName)if?__name__?==?"__main__":????eventLock?=?threading.Event()????for?i?in?range(maxSubThreadNumber):????????subThreadIns?=?threading.Thread(target=task)????????subThreadIns.start()????eventLock.set()??#?設(shè)置為綠燈????eventLock.clear()??#?設(shè)置為紅燈????eventLock.set()??#?設(shè)置為綠燈#?start?and?wait?run?thread?:?Thread-1#?start?and?wait?run?thread?:?Thread-2#?start?and?wait?run?thread?:?Thread-3#?green?light,?Thread-1?carry?on?run#?red?light,?Thread-1?stop?run#?green?light,?Thread-1?carry?on?run#?sub?thread?Thread-1?run?end#?green?light,?Thread-3?carry?on?run#?red?light,?Thread-3?stop?run#?green?light,?Thread-3?carry?on?run#?sub?thread?Thread-3?run?end#?green?light,?Thread-2?carry?on?run#?red?light,?Thread-2?stop?run#?green?light,?Thread-2?carry?on?run#?sub?thread?Thread-2?run?end

# 5、Semaphore() 信號量鎖

?基本介紹

信號量鎖也是根據(jù)條件鎖來做的，它與條件鎖和事件鎖的區(qū)別如下：

• 條件鎖：一次可以放行任意個處于“等待”狀態(tài)的線程

• 事件鎖：一次可以放行全部的處于“等待”狀態(tài)的線程

• 信號量鎖：通過規(guī)定，成批的放行特定個處于“上鎖”狀態(tài)的線程

下面是threading模塊與信號量鎖提供的相關(guān)方法：

?使用方式

以下是使用示例，你可以將它當做一段限寬的路段，每次只能放行相同數(shù)量的線程：

import?threading
import?time

maxSubThreadNumber?=?6


def?task():
????thName?=?threading.currentThread().name
????semaLock.acquire()
????print("run?sub?thread?%s"?%?thName)
????time.sleep(3)
????semaLock.release()


if?__name__?==?"__main__":
????#?每次只能放行2個
????semaLock?=?threading.Semaphore(2)

????for?i?in?range(maxSubThreadNumber):
????????subThreadIns?=?threading.Thread(target=task)
????????subThreadIns.start()


#?run?sub?thread?Thread-1
#?run?sub?thread?Thread-2

#?run?sub?thread?Thread-3
#?run?sub?thread?Thread-4

#?run?sub?thread?Thread-6
#?run?sub?thread?Thread-5

?with語句

由于threading.Semaphore()對象中實現(xiàn)了enter__()與__exit()方法，故我們可以使用with語句進行上下文管理形式的加鎖解鎖操作：

import?threading
import?time

maxSubThreadNumber?=?6


def?task():
????thName?=?threading.currentThread().name
????with?semaLock:
????????print("run?sub?thread?%s"?%?thName)
????????time.sleep(3)


if?__name__?==?"__main__":

????semaLock?=?threading.Semaphore(2)

????for?i?in?range(maxSubThreadNumber):
????????subThreadIns?=?threading.Thread(target=task)
????????subThreadIns.start()

# 鎖關(guān)系淺析

上面5種鎖可以說都是基于同步鎖來做的，這些你都可以從源碼中找到答案。

首先來看RLock遞歸鎖，遞歸鎖的實現(xiàn)非常簡單，它的內(nèi)部會維護著一個計數(shù)器，當計數(shù)器不為0的時候該線程不能被I/O操作和時間輪詢機制切換。但是當計數(shù)器為0的時候便不會如此了：

def?__init__(self):
????self._block?=?_allocate_lock()
????self._owner?=?None
????self._count?=?0??#?計數(shù)器

而Condition條件鎖的內(nèi)部其實是有兩把鎖的，一把底層鎖（同步鎖）一把高級鎖(遞歸鎖)。

低層鎖的解鎖方式有兩種，使用wait()方法會暫時解開底層鎖同時加上一把高級鎖，只有當接收到別的線程里的notfiy()后才會解開高級鎖和重新上鎖低層鎖，也就是說條件鎖底層是根據(jù)同步鎖和遞歸鎖的不斷切換來進行實現(xiàn)的：

def?__init__(self,?lock=None):????if?lock?is?None:????????lock?=?RLock()??#?可以看到條件鎖的內(nèi)部是基于遞歸鎖，而遞歸鎖又是基于同步鎖來做的????self._lock?=?lock????self.acquire?=?lock.acquire????self.release?=?lock.release????try:????????self._release_save?=?lock._release_save????except?AttributeError:????????pass????try:????????self._acquire_restore?=?lock._acquire_restore????except?AttributeError:????????pass????try:????????self._is_owned?=?lock._is_owned????except?AttributeError:????????pass????self._waiters?=?_deque()

Event事件鎖內(nèi)部是基于條件鎖來做的：

class?Event:????def?__init__(self):??????? self._cond = Condition(Lock())??#?實例化出了一個條件鎖。??????? self._flag = False ?? def _reset_internal_locks(self):????????#?private!??called?by?Thread._reset_internal_locks?by?_after_fork()????????self._cond.__init__(Lock())????def?is_set(self):????????"""Return?true?if?and?only?if?the?internal?flag?is?true."""????????return?self._flag????isSet?=?is_set

Semaphore信號量鎖內(nèi)部也是基于條件鎖來做的：

class?Semaphore:????def?__init__(self,?value=1):????????if?value?0:????????????raise?ValueError("semaphore?initial?value?must?be?>=?0")????????self._cond?=?Condition(Lock())?#?可以看到，這里是實例化出了一個條件鎖????????self._value?=?value

# 基本練習題

?條件鎖的應(yīng)用

需求：一個空列表，兩個線程輪番往里面加值（一個加偶數(shù)，一個加奇數(shù)），最終讓該列表中的值為 1 - 100 ，且是有序排列的。

import?threading

lst?=?[]


def?even():
????"""加偶數(shù)"""
????with?condLock:
????????for?i?in?range(2,?101,?2):
????????????#?判斷當前列表的長度處于2是否能處盡
????????????#?如果能處盡則代表需要添加奇數(shù)
????????????#?否則就添加偶數(shù)
????????????if?len(lst)?%?2?!=?0:
????????????????#?添偶數(shù)
????????????????lst.append(i)??????#?先添加值
????????????????condLock.notify()??#?告訴另一個線程，你可以加奇數(shù)了，但是這里不會立即交出執(zhí)行權(quán)
????????????????condLock.wait()????#?交出執(zhí)行權(quán)，并等待另一個線程通知加偶數(shù)
????????????else:
????????????????#?添奇數(shù)
????????????????condLock.wait()??#?交出執(zhí)行權(quán)，等待另一個線程通知加偶數(shù)
????????????????lst.append(i)????
????????????????condLock.notify()
????????condLock.notify()


def?odd():
????"""加奇數(shù)"""
????with?condLock:
????????for?i?in?range(1,?101,?2):
????????????if?len(lst)?%?2?==?0:
????????????????lst.append(i)
????????????????condLock.notify()
????????????????condLock.wait()
????????condLock.notify()


if?__name__?==?"__main__":
????condLock?=?threading.Condition()

????addEvenTask?=?threading.Thread(target=even)
????addOddTask?=?threading.Thread(target=odd)

????addEvenTask.start()
????addOddTask.start()

????addEvenTask.join()
????addOddTask.join()

????print(lst)

?事件鎖的應(yīng)用

有2個任務(wù)線程來扮演李白和杜甫，如何讓他們一人一句進行對答？文本如下：

杜甫：老李啊，來喝酒！

李白：老杜啊，不喝了我喝不下了！

杜甫：老李啊，再來一壺？

杜甫：…老李？

李白：呼呼呼…睡著了..

代碼如下：

import?threading


def?libai():
????event.wait()??
????print("李白：老杜啊，不喝了我喝不下了！")
????event.set()
????event.clear()
????event.wait()
????print("李白：呼呼呼...睡著了..")

def?dufu():
????print("杜甫：老李啊，來喝酒！")
????event.set()??
????event.clear()
????event.wait()
????print("杜甫：老李啊，再來一壺？")
????print("杜甫：...老李？")
????event.set()


if?__name__?==?'__main__':

????event?=?threading.Event()

????t1?=?threading.Thread(target=libai)
????t2?=?threading.Thread(target=dufu)

????t1.start()
????t2.start()
????t1.join()
????t2.join()

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