Python學習 ：多線程 --- 鎖

来源:https://www.cnblogs.com/ArticleYeung/archive/2019/04/08/10668568.html
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多線程 什麼是鎖？ - 鎖通常被用來實現對共用資源的同步訪問。 - 為每一個共用資源創建一個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： GIL（Global Inte ...


 多線程

  什麼是鎖？

  - 鎖通常被用來實現對共用資源的同步訪問。

  - 為每一個共用資源創建一個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：

  GIL（Global Interpreter Lock) 全局的解釋器鎖

  增加鎖的目的：

  1.雖然效率十分低，但保證了數據的安全性

  2.不同的鎖對應保護不同的數據

  3.誰拿到GIL鎖就讓誰得到Cpython解釋器的執行許可權

  4.GIL鎖保護的是Cpython解釋器數據的安全，而不會保護你自己程式的數據的安全

  5.GIL鎖當遇到阻塞的時候，就被迫把鎖給釋放了，那麼其他的就開始搶鎖了，搶到後把值進行修改，但是第一個拿到鎖的還依舊保持著原本的數據，當再次拿到鎖的時候，數據已經修改了，而第一位拿的還是原來的數值，這樣就造成了混亂，也就保證不了數據的安全了。

  同步鎖Lock

  - GIL與Lock是兩把鎖，保護的數據不一樣，前者是解釋器級別的（保護的是解釋器級別的數據，比如垃圾回收的數據），後者是保護用戶自己開發的應用程式的數據

  實例：沒有加上鎖的情況

  - 在執行這個操作的多條bytecodes期間的時候可能中途就換別的線程了，這樣就出現了data races的情況

mport time
import threading
def addNum():
    global num # 在每個線程中都獲取這個全局變數
    temp = num
    print('--get num:',num )
    time.sleep(0.01)
    num = temp - 1 # 對此公共變數進行-1操作

start = time.time()
num = 100  # 設定一個共用變數
thread_list = []
for i in range(100):
    t = threading.Thread(target=addNum)
    t.start()
    thread_list.append(t)

for t in thread_list: # 等待所有線程執行完畢
    t.join()

print('final num:', num )
end = time.time()
print(end - start)
# 此時並不能獲取到正確的答案0
# 100個線程每一個一定都沒有執行完就進行了切換，我們說過sleep就等效於IO阻塞，1s之內不會再切換回來，所以最後的結果一定是99.
# 多個線程都在同時操作同一個共用資源，所以造成了資源破壞

  實例：加上鎖的情況

  - 同步鎖保證了在同一時刻只有一個線程被執行 

import time
import threading

def addNum():
    global num # 在每個線程中都獲取這個全局變數
    lock.acquire() # 獲取鎖
    temp = num
    print('--get num:',num )
    num = temp - 1 # 對此公共變數進行-1操作
    lock.release() # 只有在執行完上述內容才會釋放鎖

start = time.time()
num = 100  # 設定一個共用變數
thread_list = []
lock = threading.Lock()

for i in range(100):
    t = threading.Thread(target=addNum)
    t.start()
    thread_list.append(t)

for t in thread_list: #等待所有線程執行完畢
    t.join()

print('final num:', num )
end = time.time()
print(end - start)

  死鎖Lock

  線程間共用多個資源的時候，如果兩個線程分別占有一部分資源並且同時等待對方的資源，就會造成死鎖的情況

  因為系統判斷這部分資源都正在使用，所有這兩個線程在無外力作用下將一直等待下去

import threading,time

class myThread(threading.Thread):
    def LoA(self):
        lockA.acquire()
        print(self.name,"got lockA",time.ctime())
        time.sleep(3)
        lockB.acquire()
        print(self.name,"got lockB",time.ctime())
        lockB.release()
        lockA.release()
    def LoB(self):
        lockB.acquire()
        print(self.name,"got lockB",time.ctime())
        time.sleep(2)
        lockA.acquire()
        print(self.name,"got lockA",time.ctime())
        lockA.release()
        lockB.release()
    def run(self):
        self.LoA()
        self.LoB()

if __name__=="__main__":
    lockA=threading.Lock()
    lockB=threading.Lock()
    # 解決方案：添加 lock = threading.RLock()
    # lock = threading.RLock()
    threads=[]
    for i in range(3):
        threads.append(myThread())
    for t in threads:
        t.start()
    for t in threads:
        t.join()
    # 此時線程會卡死，一直等待下去，此時添加遞歸鎖即可解決死鎖的問題

  遞歸鎖 RLock

  在添加遞歸鎖後，RLock內部維護著一個Lock和一個counter變數，counter記錄了acquire的次數，從而使得資源可以被多次acquire。直到一個線程所有的acquire都被release，其他的線程才能獲得資源

  信號量

  信號量用來控制線程併發數的，它也是一把鎖，BoundedSemaphore或Semaphore管理一個內置的計數 器，每當調用acquire()時-1，調用release()時+1

  計數器不能小於0，當計數器為 0時，acquire()將阻塞線程至同步鎖定狀態，直到其他線程調用release()。(類似於停車位的概念)

  BoundedSemaphore與Semaphore的唯一區別在於前者將在調用release()時檢查計數 器的值是否超過了計數器的初始值，如果超過了將拋出一個異常

import threading,time
class myThread(threading.Thread):
    def run(self):
        if semaphore.acquire(): # 如果上信號量鎖就往下進行
            print(self.name)
            time.sleep(5)
            semaphore.release()
if __name__=="__main__":
    semaphore = threading.Semaphore(5) # 一次允許5個線程進行
    # semaphore = threading.BoundedSemaphore(5) # 與上述效果一致
    thrs = []
    for i in range(20): # 開啟20個線程
        thrs.append(myThread())
    for t in thrs:
        t.start()

  條件變數同步

  有一類線程需要滿足條件之後才能夠繼續執行，Python提供了threading.Condition對象用於條件變數線程的支持，它除了能提供RLock()或Lock()的方法外，還提供了wait()、notify()、notifyAll()方法

  lock_con = threading.Condition([Lock / Rlock])： 預設創建一個RLock鎖，用於線程間的通信

  wait()：條件不滿足時調用，線程會釋放鎖併進入等待阻塞

  notify()：條件創造後調用，通知等待池激活一個線程

  notifyAll()：條件創造後調用，通知等待池激活所有線程

import threading,time
from random import randint

class Producer(threading.Thread):
    def run(self):
        global L
        while True:
            val=randint(0,100)
            print('生產者',self.name,":Append"+str(val),L)
            if lock_con.acquire():
                L.append(val)
                lock_con.notify() # 激活一個線程
                lock_con.release()
            time.sleep(3)
class Consumer(threading.Thread):
    def run(self):
        global L
        while True:
                lock_con.acquire() # wait()過後，從此處開始進行
                if len(L)==0:
                    lock_con.wait() # 進入等待阻塞
                    print('繼續進行') # 我們可以看到並沒有列印這個話，這說明線程不是從wait()下麵繼續進行
                print('消費者',self.name,":Delete"+str(L[0]),L)
                del L[0]
                lock_con.release()
                time.sleep(0.25)

if __name__=="__main__":

    L = []
    lock_con = threading.Condition()
    threads = []
    for i in range(5):
        threads.append(Producer())
    threads.append(Consumer())
    for t in threads:
        t.start()
    for t in threads:
        t.join()

  同步條件(Event)

  條件同步和條件變數同步差不多意思，只是少了鎖功能，同步條件不是鎖

  因為條件同步設計於不訪問共用資源的條件環境。event = threading.Event()：條件環境對象，初始值為False；

  event.isSet()：返回event的狀態值

  event.wait()：如果 event.isSet()==False將阻塞線程

  event.set()： 設置event的狀態值為True，所有阻塞池的線程激活進入就緒狀態， 等待操作系統調度

  event.clear()：恢復event的狀態值為False

import threading,time
import random
def light():
   if not event.isSet():
        event.set() #wait就不阻塞 #綠燈狀態
    count = 0
    while True:
        if count < 10:
           print('\033[42;1m--green light on---\033[0m')
        elif count <13:
            print('\033[43;1m--yellow light on---\033[0m')
        elif count <20:
            if event.isSet():
                event.clear()
           print('\033[41;1m--red light on---\033[0m')
        else:
            count = 0
           event.set() # 打開綠燈
        time.sleep(1)
        count += 1

def car(n):
   while 1:
       time.sleep(random.randrange(10))
        if  event.isSet(): # 綠燈
          print("car [%s] is running.." % n)
       else:
           print("car [%s] is waiting for the red light.." %n)

if __name__ == '__main__':
    event = threading.Event()
    Light = threading.Thread(target=light)
    Light.start()
    for i in range(3):
        t = threading.Thread(target=car,args=(i,))
        t.start()

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