同步的概念

1. 多线程开发可能遇到的问题

假设两个线程t1和t2都要对num=0进行增1运算,t1和t2都各对num修改10次,num的最终的结果应该为20。

但是由于是多线程访问,有可能出现下面情况:

在num=0时,t1取得num=0。此时系统把t1调度为”sleeping”状态,把t2转换为”running”状态,t2也获得num=0。然后t2对得到的值进行加1并赋给num,使得num=1。然后系统又把t2调度为”sleeping”,把t1转为”running”。线程t1又把它之前得到的0加1后赋值给num。这样,明明t1和t2都完成了1次加1工作,但结果仍然是num=1。

rom threading import Thread
import time g_num = 0 def test1():
global g_num
for i in range(1000000):
g_num += 1 print("---test1---g_num=%d"%g_num) def test2():
global g_num
for i in range(1000000):
g_num += 1 print("---test2---g_num=%d"%g_num) p1 = Thread(target=test1)
p1.start() # time.sleep(3) #取消屏蔽之后 再次运行程序,结果会不一样,,,为啥呢? p2 = Thread(target=test2)
p2.start() print("---g_num=%d---"%g_num)

2. 什么是同步

同步就是协同步调,按预定的先后次序进行运行。如:你说完,我再说。

"同"字从字面上容易理解为一起动作

其实不是,"同"字应是指协同、协助、互相配合。

如进程、线程同步,可理解为进程或线程A和B一块配合,A执行到一定程度时要依靠B的某个结果,于是停下来,示意B运行;B依言执行,再将结果给A;A再继续操作。

3. 解决问题的思路

对于本小节提出的那个计算错误的问题,可以通过线程同步来进行解决

思路,如下:

  1. 系统调用t1,然后获取到num的值为0,此时上一把锁,即不允许其他现在操作num
  2. 对num的值进行+1
  3. 解锁,此时num的值为1,其他的线程就可以使用num了,而且是num的值不是0而是1
  4. 同理其他线程在对num进行修改时,都要先上锁,处理完后再解锁,在上锁的整个过程中不允许其他线程访问,就保证了数据的正确性

互斥锁

当多个线程几乎同时修改某一个共享数据的时候,需要进行同步控制

线程同步能够保证多个线程安全访问竞争资源,最简单的同步机制是引入互斥锁。

互斥锁为资源引入一个状态:锁定/非锁定。

某个线程要更改共享数据时,先将其锁定,此时资源的状态为“锁定”,其他线程不能更改;直到该线程释放资源,将资源的状态变成“非锁定”,其他的线程才能再次锁定该资源。互斥锁保证了每次只有一个线程进行写入操作,从而保证了多线程情况下数据的正确性。

threading模块中定义了Lock类,可以方便的处理锁定:

#创建锁
mutex = threading.Lock()
#锁定
mutex.acquire([blocking])
#释放
mutex.release()

其中,锁定方法acquire可以有一个blocking参数。

  • 如果设定blocking为True,则当前线程会堵塞,直到获取到这个锁为止(如果没有指定,那么默认为True)
  • 如果设定blocking为False,则当前线程不会堵塞

使用互斥锁实现上面的例子的代码如下:

from threading import Thread, Lock
import time g_num = 0 def test1():
global g_num
for i in range(1000000):
#True表示堵塞 即如果这个锁在上锁之前已经被上锁了,那么这个线程会在这里一直等待到解锁为止
#False表示非堵塞,即不管本次调用能够成功上锁,都不会卡在这,而是继续执行下面的代码
mutexFlag = mutex.acquire(True)
if mutexFlag:
g_num += 1
mutex.release() print("---test1---g_num=%d"%g_num) def test2():
global g_num
for i in range(1000000):
mutexFlag = mutex.acquire(True) #True表示堵塞
if mutexFlag:
g_num += 1
mutex.release() print("---test2---g_num=%d"%g_num) #创建一个互斥锁
#这个所默认是未上锁的状态
mutex = Lock() p1 = Thread(target=test1)
p1.start() p2 = Thread(target=test2)
p2.start() print("---g_num=%d---"%g_num)

运行结果:

---g_num=61866---
---test1---g_num=1861180
---test2---g_num=2000000

可以看到,加入互斥锁后,运行结果与预期相符。

上锁解锁过程

当一个线程调用锁的acquire()方法获得锁时,锁就进入“locked”状态。

每次只有一个线程可以获得锁。如果此时另一个线程试图获得这个锁,该线程就会变为“blocked”状态,称为“阻塞”,直到拥有锁的线程调用锁的release()方法释放锁之后,锁进入“unlocked”状态。

线程调度程序从处于同步阻塞状态的线程中选择一个来获得锁,并使得该线程进入运行(running)状态。

总结

锁的好处:

  • 确保了某段关键代码只能由一个线程从头到尾完整地执行

锁的坏处:

  • 阻止了多线程并发执行,包含锁的某段代码实际上只能以单线程模式执行,效率就大大地下降了
  • 由于可以存在多个锁,不同的线程持有不同的锁,并试图获取对方持有的锁时,可能会造成死锁

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