前言

? 在前面的文章中我們介紹了 Python 中的全局解釋器鎖 GIL，我們知道 GIL 可以保證在多線程場景下同一時刻只有一個線程運行，但是并不能保證線程安全（所謂線程安全簡單來說就是程序在多線程環境中運行時，線程在交替運行時能正常的訪問共享資源，不會造成數據不一致或者死鎖，最后都能達到預期的結果），比如我們看下面的兩個例子：43R28資訊網——每日最新資訊28at.com

對 counter 進行累加

import threadingimport timecounter = 0temp_count = 0def increment():    global counter, temp_count    for _ in range(1000):        counter += 1        temp = temp_count        time.sleep(0.0001)        temp_count = temp + 1start = time.time()threads = []for _ in range(10):    t = threading.Thread(target=increment)    threads.append(t)    t.start()for t in threads:    t.join()end = time.time()print("Final counter value:", counter)print("Final temp_count value:", temp_count)print(f"總共耗時：{end - start}")# 運行結果Final counter value: 10000Final temp_count value: 1001總共耗時：0.5465419292449951

? 上面我們對 counter 做多線程累積時，盡管 counter += 1 是非原子操作，但是由于 CPU 執行太快，因此我們很難復現線程不安全的情況，因此我們使用 temp_count 寫法進行手動模擬。43R28資訊網——每日最新資訊28at.com

賬戶取款

import threadingclass BankAccount:    def __init__(self, balance):        self.balance = balance    def withdraw(self, amount):        if self.balance >= amount:            # 發生線程切換            self.balance -= amount            print(f"Withdrawal successful. Balance: {self.balance}")        else:            print("Insufficient funds")    def deposit(self, amount):        self.balance += amount        print(f"Deposit successful. Balance: {self.balance}")if __name__ == "__main__":    account = BankAccount(1000)    # 創建多個線程進行取款存款操作    threads = []    for _ in range(5):        t = threading.Thread(target=account.withdraw, args=(account, 200))        threads.append(t)        t.start()    for t in threads:        t.join()

? 上面的代碼同樣是線程不安全的，考慮這個場景，如果此時賬戶余額中剩余200，線程1執行完 self.balance >= amount 后切換到線程2，線程2正常取款200，然后切換回線程1，導致此時余額為-2200。43R28資訊網——每日最新資訊28at.com

使用同步原語保證線程安全

? 從上面的兩個案例中我們可以看出，GIL 并不能保證線程安全，我們需要使用同步原語來進行線程同步保證線程安全。43R28資訊網——每日最新資訊28at.com

locked、release 顯式獲取鎖和釋放鎖

? 在一些比較老的 python 代碼中，我們可以看到很多使用 locked、release 顯式獲取鎖和釋放鎖 的用法。43R28資訊網——每日最新資訊28at.com

import threadingclass BankAccount:    def __init__(self, balance):        self.balance = balance        self.lock = threading.Lock()    def withdraw(self, amount):        self.lock.locked()        if self.balance >= amount:            self.balance -= amount            print(f"Withdrawal successful. Balance: {self.balance}")        else:            print("Insufficient funds")        self.lock.release()    def deposit(self, amount):        self.lock.locked()        self.balance += amount        print(f"Deposit successful. Balance: {self.balance}")        self.lock.release()if __name__ == "__main__":    account = BankAccount(1000)    # 創建多個線程進行取款存款操作    threads = []    for _ in range(5):        t = threading.Thread(target=account.withdraw, args=(account, 200))        threads.append(t)        t.start()    for t in threads:        t.join()

使用 with 語句同步原理

? 相比于這種顯式調用的方法，with 語句更加優雅，也更不容易出錯，特別是程序員可能會忘記調用 release() 方法或者程序在獲得鎖之后產生異常這兩種情況（使用 with 語句可以保證在這兩種情況下仍能正確釋放鎖）。43R28資訊網——每日最新資訊28at.com

import threadingclass BankAccount:    def __init__(self, balance):        self.balance = balance        self.lock = threading.Lock()    def withdraw(self, amount):        with self.lock:            if self.balance >= amount:                self.balance -= amount                print(f"Withdrawal successful. Balance: {self.balance}")            else:                print("Insufficient funds")    def deposit(self, amount):        with self.lock:            self.balance += amount            print(f"Deposit successful. Balance: {self.balance}")if __name__ == "__main__":    account = BankAccount(1000)    # 創建多個線程進行取款存款操作    threads = []    for _ in range(5):        t = threading.Thread(target=account.withdraw, args=(account, 200))        threads.append(t)        t.start()    for t in threads:        t.join()

其它支持同步原語：RLock 和 Semaphore

RLock

? 一個 RLock （可重入鎖）可以被同一個線程多次獲取，主要用來實現基于監測對象模式的鎖定和同步。在使用這種鎖的情況下，當鎖被持有時，只有一個線程可以使用完整的函數或者類中的方法。43R28資訊網——每日最新資訊28at.com

import threadingclass SharedCounter:    '''    A counter object that can be shared by multiple threads.    '''    _lock = threading.RLock()    def __init__(self, initial_value = 0):        self._value = initial_value    def incr(self,delta=1):        '''        Increment the counter with locking        '''        with SharedCounter._lock:            self._value += delta    def decr(self,delta=1):        '''        Decrement the counter with locking        '''        with SharedCounter._lock:             self.incr(-delta)

? 在上邊這個例子中，沒有對每一個實例中的可變對象加鎖，取而代之的是一個被所有實例共享的類級鎖。這個鎖用來同步類方法，具體來說就是，這個鎖可以保證一次只有一個線程可以調用這個類方法。不過，與一個標準的鎖不同的是，已經持有這個鎖的方法在調用同樣使用這個鎖的方法時，無需再次獲取鎖。比如 decr 方法。 這種實現方式的一個特點是，無論這個類有多少個實例都只用一個鎖。因此在需要大量使用計數器的情況下內存效率更高。不過這樣做也有缺點，就是在程序中使用大量線程并頻繁更新計數器時會有爭用鎖的問題。43R28資訊網——每日最新資訊28at.com

Semaphore

? 信號量對象是一個建立在共享計數器基礎上的同步原語。如果計數器不為0，with 語句將計數器減1，線程被允許執行。with 語句執行結束后，計數器加１。如果計數器為0，線程將被阻塞，直到其他線程結束將計數器加1。43R28資訊網——每日最新資訊28at.com

import urllib.requestfrom threading import Semaphore# At most, five threads allowed to run at once_fetch_url_sema = Semaphore(5)def fetch_url(url):    with _fetch_url_sema:        return urllib.request.urlopen(url)

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