Python并行编程(五)：线程同步之信号量

1、基本概念

信号量是由操作系统管理的一种抽象数据类型，用于在多线程中同步对共享资源的使用。本质上说，信号量是一个内部数据，用于标明当前的共享资源可以有多少并发读取。

同样在threading中，信号量有acquire和release两个函数。

- 每当线程想要读取关联了信号量的共享资源时，必须调用acquire，此操作减少信号量的内部变量，如果此变量的值非负，那么分配该资源的权限。如果是负值，那么线程被挂起，直到有其他的线程释放资源。

- 当线程不再需要该共享资源，必须通过release释放，这样，信号线的内部变量增加，在信号量等待队列中排在最前面的线程会拿到共享资源的权限。

信号量同步机制在线程操作为原子操作时，才会没有问题，但如果不是原子操作，或者两个操作有一个终止了，就会出现问题，比如：

有两个并发线程，都在等待一个信号量，假设目前信号量的内部值为1，再假设线程A将信号量的值从1减到0，此时线程A拿到资源权限，这时候如果控制器切换到了线程B，线程B将信号量的值从0减到-1，并且在这里被挂起等待，这时控制器回到线程A，信号量已经成为了负值，于是第一个线程也在等待。尽管当时的信号量是可以让线程访问资源的，但是因为非原子操作导致了所有的线程都在状态。

2、信号量的使用

使用信号量进行线程同步例子：

# coding: utf-8
import threading
import time
import random

semaphore = threading.Semaphore(0)

def consumer():
    print("Consumer is waiting.")
    semaphore.acquire()
    print("Consumer notify: Consumed item number %s" %item)

def producer():
    global item
    time.sleep(10)
    item = random.randint(0, 100)
    print("Producer notify: Produced item number %s" %item)
    semaphore.release()

if __name__ == "__main__":
    for i in range(0, 5):
        t1 = threading.Thread(target=producer)
        t2 = threading.Thread(target=consumer)
        t1.start()
        t2.start()
        t1.join()
        t2.join()
    print("Program terminated")

信号量被初始化为0，semaphore = threading.Semaphore(0)，目的是同步两个或多个线程。线程必须并行运行，所以需要信号量同步。

如果信号量的计数器到了0，就会阻塞acquire方法，直到得到另一个线程的通知。如果信号量的计数器大于0，就会对这个值-1然后分配资源。

3、补充

信号量的一个特殊用法是互斥量。互斥量是初始值为1的信号量，可以实现数据、资源的互斥访问。

信号量在支持多线程的编程语言中应用很广，但是他也有可能造成死锁的情况。例如，有一个线程t1，先等待信号量s1，然后等待信号量s2，而线程t2会先等待信号量s2，然后再等待信号量s1，这样就会发生死锁，导致t1等待s2，但是t2在等待s1。