《Python》线程之锁、信号量、事件、条件、定时器、队列

一、锁

线程为什么要有锁：

　　+= 、-= 赋值操作数据不安全（要经过取值、计算、放回值，3部操作）

　　pop 、append 都是数据安全的（只有添加和删除，一次操作）

　　队列也是数据安全的

1、同步锁

import os, time
from threading import Thread

def work():
    global n
    temp = n
    time.sleep(0.1)
    n = temp - 1

if __name__ == '__main__':
    n = 100
    l = []
    for i in range(100):
        p = Thread(target=work)
        p.start()
        l.append(p)
    for p in l:
        p.join()
    print(n)    # 结果可能为99

多个线程抢占资源的情况

import threading
R=threading.Lock()
R.acquire()
'''
对公共数据的操作
'''
R.release()

import os,time
from threading import Thread,Lock

def work(lock):
    global n
    lock.acquire()
    temp = n
    time.sleep(0.1)
    n = temp - 1
    lock.release()

if __name__ == '__main__':
    lock = Lock()
    n = 100
    l = []
    for i in range(100):
        p = Thread(target=work, args=(lock,))
        p.start()
        l.append(p)
    for p in l:
        p.join()
    print(n)    # 结果肯定为0，由原来的并发执行变成串行，牺牲了执行效率保证了数据安全

同步锁的引用

# 不加锁:并发执行,速度快,数据不安全

from threading import current_thread,Thread,Lock
import os,time

def task():
    global n
    print('%s is running' %current_thread().getName())
    temp=n
    time.sleep(0.5)
    n=temp-1

if __name__ == '__main__':
    n=100
    lock=Lock()
    threads=[]
    start_time=time.time()
    for i in range(100):
        t=Thread(target=task)
        threads.append(t)
        t.start()
    for t in threads:
        t.join()

    stop_time=time.time()
    print('主:%s n:%s' %(stop_time-start_time,n))

'''
Thread-1 is running
Thread-2 is running
......
Thread-100 is running
主:0.5216062068939209 n:99
'''

# 不加锁:未加锁部分并发执行,加锁部分串行执行,速度慢,数据安全

from threading import current_thread,Thread,Lock
import os,time

def task():
    # 未加锁的代码并发运行
    time.sleep(3)
    print('%s start to run' %current_thread().getName())
    global n
    # 加锁的代码串行运行
    lock.acquire()
    temp=n
    time.sleep(0.5)
    n=temp-1
    lock.release()

if __name__ == '__main__':
    n=100
    lock=Lock()
    threads=[]
    start_time=time.time()
    for i in range(100):
        t=Thread(target=task)
        threads.append(t)
        t.start()
    for t in threads:
        t.join()
    stop_time=time.time()
    print('主:%s n:%s' %(stop_time-start_time,n))

'''
Thread-1 is running
Thread-2 is running
......
Thread-100 is running
主:53.294203758239746 n:0
'''

# 有的同学可能有疑问:既然加锁会让运行变成串行,那么我在start之后立即使用join,就不用加锁了啊,也是串行的效果啊
# 没错:在start之后立刻使用jion,肯定会将100个任务的执行变成串行,毫无疑问,最终n的结果也肯定是0,是安全的,但问题是
# start后立即join:任务内的所有代码都是串行执行的,而加锁,只是加锁的部分即修改共享数据的部分是串行的
# 单从保证数据安全方面,二者都可以实现,但很明显是加锁的效率更高.

from threading import current_thread,Thread,Lock
import os,time

def task():
    time.sleep(3)
    print('%s start to run' %current_thread().getName())
    global n
    temp=n
    time.sleep(0.5)
    n=temp-1

if __name__ == '__main__':
    n=100
    lock=Lock()
    start_time=time.time()
    for i in range(100):
        t=Thread(target=task)
        t.start()
        t.join()
    stop_time=time.time()
    print('主:%s n:%s' %(stop_time-start_time,n))

'''
Thread-1 start to run
Thread-2 start to run
......
Thread-100 start to run
主:350.6937336921692 n:0 #耗时是多么的恐怖
'''

互斥锁与join的区别

2、死锁与递归锁

　　进程也有死锁与递归锁

　　所谓死锁： 是指两个或两个以上的进程或线程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程，如下就是死锁

import time
from threading import Lock

mutexA=Lock()
mutexA.acquire()
mutexA.acquire()
print(123)
mutexA.release()
mutexA.release()

　　解决方法，递归锁，在Python中为了支持在同一线程中多次请求同一资源，python提供了可重入锁RLock。

　　这个RLock内部维护着一个Lock和一个counter变量，counter记录了acquire的次数，从而使得资源可以被多次require。直到一个线程所有的acquire都被release，其他的线程才能获得资源。上面的例子如果使用RLock代替Lock，则不会发生死锁：

import time
from threading import RLock

mutexA=RLock()
mutexA.acquire()
mutexA.acquire()
print(123)
mutexA.release()
mutexA.release()

　　典型问题：科学家吃面

import time
from threading import Thread,Lock

noodle_lock = Lock()
fork_lock = Lock()
def eat1(name):
    noodle_lock.acquire()
    print('%s拿到面条了' % name)
    fork_lock.acquire()
    print('%s拿到叉子了' % name)
    print('%s吃面' % name)
    time.sleep(0.3)
    fork_lock.release()
    print('%s放下叉子' % name)
    noodle_lock.release()
    print('%s放下面' % name)

def eat2(name):
    fork_lock.acquire()
    print('%s拿到叉子了' % name)
    noodle_lock.acquire()
    print('%s拿到面条了' % name)
    print('%s吃面' % name)
    time.sleep(0.3)
    noodle_lock.release()
    print('%s放下面' % name)
    fork_lock.release()
    print('%s放下叉子' % name)

if __name__ == '__main__':
    name_list1 = ['alex', 'wusir']
    name_list2 = ['nezha', 'yuan']
    for name in name_list1:
        Thread(target=eat1, args=(name,)).start()
    for name in name_list2:
        Thread(target=eat2, args=(name,)).start()

死锁现象

import time
from threading import Thread,RLock

fork_lock = noodle_lock = RLock()

def eat1(name):
    noodle_lock.acquire()
    print('%s拿到面条了' % name)
    fork_lock.acquire()
    print('%s拿到叉子了' % name)
    print('%s吃面' % name)
    time.sleep(0.3)
    fork_lock.release()
    print('%s放下叉子' % name)
    noodle_lock.release()
    print('%s放下面' % name)

def eat2(name):
    fork_lock.acquire()
    print('%s拿到叉子了' % name)
    noodle_lock.acquire()
    print('%s拿到面条了' % name)
    print('%s吃面' % name)
    time.sleep(0.3)
    noodle_lock.release()
    print('%s放下面' % name)
    fork_lock.release()
    print('%s放下叉子' % name)

if __name__ == '__main__':
    name_list1 = ['alex', 'wusir']
    name_list2 = ['nezha', 'yuan']
    for name in name_list1:
        Thread(target=eat1, args=(name,)).start()
    for name in name_list2:
        Thread(target=eat2, args=(name,)).start()

递归锁解决死锁问题

二、信号量

同进程的一样：

　　Semaphore管理一个内置的计数器，
　　每当调用acquire()时内置计数器-1；
　　调用release() 时内置计数器+1；
　　计数器不能小于0；当计数器为0时，acquire()将阻塞线程直到其他线程调用release()。

信号量与池的区别：

　　是完全不同的概念，进程池Pool(4)，最大只能产生4个进程，而且从头到尾都只是这四个进程，不会产生新的，而信号量是产生一堆线程/进程

实例：(同时只有5个线程可以获得semaphore,即可以限制最大连接数为5)：

import time
from threading import Semaphore,Thread

def func(index, sem):
    sem.acquire()
    print(index)
    time.sleep(1)
    sem.release()

if __name__ == '__main__':
    sem = Semaphore(5)
    for i in range(10):
        Thread(target=func, args=(i, sem)).start()

三、事件

同进程的一样：

　　线程的一个关键特性是每个线程都是独立运行且状态不可预测。如果程序中的其 他线程需要通过判断某个线程的状态来确定自己下一步的操作,这时线程同步问题就会变得非常棘手。为了解决这些问题,我们需要使用threading库中的Event对象。 对象包含一个可由线程设置的信号标志,它允许线程等待某些事件的发生。在 初始情况下,Event对象中的信号标志被设置为假。如果有线程等待一个Event对象, 而这个Event对象的标志为假,那么这个线程将会被一直阻塞直至该标志为真。一个线程如果将一个Event对象的信号标志设置为真,它将唤醒所有等待这个Event对象的线程。如果一个线程等待一个已经被设置为真的Event对象,那么它将忽略这个事件, 继续执行

event.isSet()：返回event的状态值；
event.wait()：如果 event.isSet()==False将阻塞线程；
event.set()： 设置event的状态值为True，所有阻塞池的线程激活进入就绪状态， 等待操作系统调度；
event.clear()：恢复event的状态值为False。

　　例如，有多个工作线程尝试链接MySQL，我们想要在链接前确保MySQL服务正常才让那些工作线程去连接MySQL服务器，如果连接不成功，都会去尝试重新连接。那么我们就可以采用threading.Event机制来协调各个工作线程的连接操作

import random
import time
from threading import Event, Thread

def check(e):
    print('开始检测数据库连接')
    time.sleep(random.randint(1, 5))    # 检测数据库连接
    e.set()  # 成功了

def connect(e):
    for i in range(3):
        e.wait(0.5)
        if e.is_set():
            print('数据库连接成功')
            break
        else:
            print('尝试连接数据库%s次失败' % (i+1))
    else:
        raise TimeoutError  # 3次都不成功则主动抛异常

e = Event()
Thread(target=connect, args=(e,)).start()
Thread(target=check, args=(e,)).start()

实例

四、条件

使得线程等待，只有满足某条件时，才释放n个线程

Python提供的Condition对象提供了对复杂线程同步问题的支持。Condition被称为条件变量，除了提供与Lock类似的acquire和release方法外，还提供了wait和notify方法。线程首先acquire一个条件变量，然后判断一些条件。如果条件不满足则wait；如果条件满足，进行一些处理改变条件后，通过notify方法通知其他线程，其他处于wait状态的线程接到通知后会重新判断条件。不断的重复这一过程，从而解决复杂的同步问题。

详细说明

代码说明：

from threading import Condition, Thread

def func(con, index):
    print('%s在等待' % index)
    con.acquire()
    con.wait()
    print('%s do something' % index)
    con.release()

con = Condition()
for i in range(10):
    Thread(target=func, args=(con, i)).start()
# con.acquire()
# con.notify_all()
# con.release()
count = 10
while count > 0:
    num = int(input('>>>'))
    con.acquire()
    con.notify(num)
    count -= num
    con.release()

五、定时器

定时器，指定n秒后执行某个操作

from threading import Timer

def func():
    print('执行我啦')

Timer(5, func).start()
print('主线程')

六、队列

queue队列 ：使用import queue，用法与进程Queue一样

queue is especially useful in threaded programming when information must be exchanged safely between multiple threads.

class queue.Queue(maxsize=0) 　　# 先进先出

import queue

q=queue.Queue()
q.put('first')
q.put('second')
q.put('third')

print(q.get())
print(q.get())
print(q.get())
'''
结果(先进先出):
first
second
third
'''

class queue.LifoQueue(maxsize=0)　　 # 后进先出

import queue

q=queue.LifoQueue()
q.put('first')
q.put('second')
q.put('third')

print(q.get())
print(q.get())
print(q.get())
'''
结果(后进先出):
third
second
first
'''

class queue.PriorityQueue(maxsize=0) 　　# 存储数据时可设置优先级的队列

import queue

q=queue.PriorityQueue()
# put进入一个元组,元组的第一个元素是优先级(通常是数字,也可以是非数字之间的比较),数字越小优先级越高
q.put((20,'a'))
q.put((10,'b'))
q.put((30,'c'))

print(q.get())
print(q.get())
print(q.get())
'''
结果(数字越小优先级越高,优先级高的优先出队):
(10, 'b')
(20, 'a')
(30, 'c')
'''