如何解決python線程中的同步問題

這篇文章主要介紹如何解決python線程中的同步問題，文中介紹的非常詳細，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們一定要看完！

多線程開發可能遇到的問題

假設兩個線程t1和t2都要對num=0進行增1運算，t1和t2都各對num修改1000000次，num的最終的結果應該為2000000。但是由于是多線程訪問，有可能出現下面情況：

from threading import Thread
import time
num = 0
def test1():
  global num
  for i in range(1000000):
    num += 1
  print("--test1--num=%d" % num)
def test2():
  global num
  for i in range(1000000):
    num += 1
  print("--test2--num=%d" % num)
if __name__ == '__main__':
  Thread(target=test1).start()
  Thread(target=test2).start()
  print("num = %d" % num)
"""
num = 134116
--test1--num=1032814
--test2--num=1166243
"""

運行結果可能不一樣，但是結果往往不是2000000。問題產生的原因就是沒有控制多個線程對同一資源的訪問，對數據造成破壞，使得線程運行的結果不可預期。這種現象稱為“線程不安全”。

線程同步——使用互斥鎖

如果多個線程共同對某個數據修改，則可能出現不可預料的結果，為了保證數據的正確性，需要對多個線程進行同步。
使用 Thread 對象的 Lock 和 Rlock 可以實現簡單的線程同步，這兩個對象都有 acquire 方法和 release 方法，對于那些需要每次只允許一個線程操作的數據，可以將其操作放到 acquire 和 release 方法之間。

使用互斥鎖實現上面的例子：

from threading import Thread, Lock
import time
num = 0
def test1():
  global num
  # 上鎖
  mutex.acquire()
  for i in range(1000000):
    num += 1
  # 解鎖
  mutex.release()
  print("--test1--num=%d" % num)
def test2():
  global num
  mutex.acquire()
  for i in range(1000000):
    num += 1
  mutex.release()
  print("--test2--num=%d" % num)
start_time = time.time() # 開始時間
# 創建一把互斥鎖，默認沒有上鎖
mutex = Lock()
p1 = Thread(target=test1)
p1.start()
# time.sleep(3)  # 取消屏蔽之后 再次運行程序，結果會不一樣，，，為啥呢？
p2 = Thread(target=test2)
p2.start()
p1.join()
p2.join()
end_time = time.time() # 結束時間
print("num = %d" % num)
print("運行時間:%fs" % (end_time - start_time)) # 結束時間-開始時間
"""
輸出結果：
--test1--num=1000000
--test2--num=2000000
num = 2000000
運行時間:0.287206s
"""

同步的應用——多個線程有序執行

from threading import Lock, Thread
from time import sleep
class Task1(Thread):
  def run(self):
    while True:
      # 判斷是否上鎖成功，返回值為bool類型
      if lock1.acquire():
        print("--task1--")
        sleep(0.5)
        lock2.release()
class Task2(Thread):
  def run(self):
    while True:
      if lock2.acquire():
        print("--task2--")
        sleep(0.5)
        lock3.release()
class Task3(Thread):
  def run(self):
    while True:
      if lock3.acquire():
        print("--task3--")
        sleep(0.5)
        lock1.release()

if __name__ == '__main__':  
  # 創建一把鎖
  lock1 = Lock()  
  # 創建一把鎖，并且鎖上
  lock2 = Lock()
  lock2.acquire()  
  # 創建一把鎖，并且鎖上
  lock3 = Lock()
  lock3.acquire()  
  t1 = Task1()
  t2 = Task2()
  t3 = Task3()  
  t1.start()
  t2.start()
  t3.start()
"""
--task1--
--task2--
--task3--
--task1--
--task2--
--task3--
--task1--
--task2--
...
"""

生產者與消費者模式

為什么要使用生產者和消費者模式

在線程世界里，生產者就是生產數據的線程，消費者就是消費數據的線程。在多線程開發當中，如果生產者處理速度很快，而消費者處理速度很慢，那么生產者就必須等待消費者處理完，才能繼續生產數據。同樣的道理，如果消費者的處理能力大于生產者，那么消費者就必須等待生產者。為了解決這個問題于是引入了生產者和消費者模式。

什么是生產者消費者模式

生產者消費者模式是通過一個容器來解決生產者和消費者的強耦合問題。生產者和消費者彼此之間不直接通訊，而通過阻塞隊列來進行通訊，所以生產者生產完數據之后不用等待消費者處理，直接扔給阻塞隊列，消費者不找生產者要數據，而是直接從阻塞隊列里取，阻塞隊列就相當于一個緩沖區，平衡了生產者和消費者的處理能力。

Python的Queue模塊中提供了同步的、線程安全的隊列類，包括FIFO（先入先出)隊列Queue，LIFO（后入先出）隊列LifoQueue，和優先級隊列PriorityQueue。這些隊列都實現了鎖原語（可以理解為原子操作，即要么不做，要么就做完），能夠在多線程中直接使用。可以使用隊列來實現線程間的同步。

用FIFO隊列實現上述生產者與消費者問題的代碼如下：

import threading
import time
from queue import Queue
class Producer(threading.Thread):
  def run(self):
    global queue
    count = 0
    while True:
      if queue.qsize() < 1000:
        for i in range(100):
          count += 1
          msg = "生成產品" + str(count)
          queue.put(msg)
          print(msg)
      time.sleep(0.5)
class Consumer(threading.Thread):
  def run(self):
    global queue
    while True:
      if queue.qsize() > 100:
        for i in range(3):
          msg = self.name + "消費了" + queue.get()
          print(msg)
      time.sleep(0.5)

ThreadLocal

在多線程環境下，每個線程都有自己的數據。一個線程使用自己的局部變量比使用全局變量好，因為局部變量只有線程自己能看見，不會影響其他線程，而全局變量的修改必須加鎖。
ThreadLocal解決了參數在一個線程中各個函數之間互相傳遞的問題

import threading
"""
?個ThreadLocal變量雖然是全局變量，但每個線程都只能讀寫??線程的獨
?副本，互不?擾。
"""
# 創建全局ThreadLocal對象:
local_school = threading.local()
def process_student():
  # 獲取當前線程關聯的student:
  std = local_school.student
  print('Hello, %s (in %s)' % (std, threading.current_thread().name))
def process_thread(name):
  # 綁定ThreadLocal的student:
  local_school.student = name
  process_student()
t1 = threading.Thread(target=process_thread, args=('dongGe',), name="Thread-A")
t2 = threading.Thread(target=process_thread, args=('?王',), name="Thread-B")
t1.start()
t2.start()

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