threading 模塊的類 Lock 的基本使用

1. 簡介

在多線程應用中，某個資源被多個線程共享訪問，線程通過使用鎖獨占該資源。需要獨占訪問的資源可能是：

• 打印機，線程在使用打印機時，不允許其它線程向打印機輸出
• 共享變量，線程對這個變量進行讀取訪問時，不允許其它線程同時對這個變量進行讀取訪問

python 的 threading 模塊提供了類 Lock 用于獨占訪問某個共享資源，類 Lock 提供了如下方法：

線程在獨占使用某個資源前，需要調(diào)用 lock.acquire() 方法，使用完畢后，需要調(diào)用 lock.release() 方法，如下所示：

lock = threading.Lock()

lock.acquire()
獨占訪問某個資源
lock.release()

2. 數(shù)據(jù)競爭

當多個線程在讀寫某個共享變量時，其最終的結(jié)果依賴于線程的執(zhí)行順序，這種現(xiàn)象被稱為數(shù)據(jù)競爭，示例如下：

import threading

sum = 0
tmp = 0

• 引入模塊 threading
• 設定全局變量 sum 和 tmp 的初值為 0，它們被線程共享訪問

def thread_entry():
    global sum, tmp

    for i in range(1000 * 1000):
        tmp = sum + 1
        sum = tmp

• 在第 1 行，定義線程入口 thread_entry
• 在第 2 行，聲明共享變量 sum 和 tmp
• 在第 4 行，for 循環(huán) 1000* 1000 次，遞增變量 sum

t0 = threading.Thread(target = thread_entry, args = ())
t1 = threading.Thread(target = thread_entry, args = ())
t0.start()
t1.start()
t0.join()
t1.join()
print('sum =', sum)

• 創(chuàng)建線程 t0，線程入口為 thread_entry
  • 線程 t0 對變量 sum 遞增 1000 * 1000 次
• 創(chuàng)建線程 t1，線程入口為 thread_entry
  • 線程 t1 對變量 sum 遞增 1000 * 1000 次
• 等待兩個線程結(jié)束后，打印 sum 的值

第一次運行程序，輸出結(jié)果如下：

sum = 1464661

再次運行程序，輸出結(jié)果如下：

sum = 1415592

線程 t0 和 t1 對 sum 各自遞增 1000 * 1000 次，期望最終的 sum 為 2 * 1000 * 1000。然而，線程 t0 和 線程 t1 共享訪問變量 sum 和 tmp，存在數(shù)據(jù)競爭，導致：

• 實際結(jié)果依賴于線程的執(zhí)行順序，每次執(zhí)行程序的輸出結(jié)果都不一樣
• 實際結(jié)果和預期不一致

3. 使用 lock 防止數(shù)據(jù)競爭

可以使用 threading 模塊的類 Lock 防止數(shù)據(jù)競爭，示例如下：

import threading

sum = 0
tmp = 0

def thread_entry():
    global sum, tmp

    for i in range(1000 * 1000):
        lock.acquire()  # 獲取鎖
        tmp = sum + 1
        sum = tmp
        lock.release()  # 釋放鎖

lock = threading.Lock() # 初始化鎖
t0 = threading.Thread(target = thread_entry, args = ())
t1 = threading.Thread(target = thread_entry, args = ())
t0.start()
t1.start()
t0.join()
t1.join()
print('sum =', sum)

和上個小節(jié)的例子相比，增加了 3 行代碼 (使用注釋標記)：

• lock.acquire()，訪問共享變量 sum 和 tmp 前，需要獲取鎖
• lock.release()，訪問共享變量 sum 和 tmp 后，需要釋放鎖
• lock = thread.Lock()，初始化鎖

第一次運行程序，輸出結(jié)果如下：

sum = 200000

再次運行程序，輸出結(jié)果如下：

sum = 200000

線程 t0 和 t1 對 sum 各自遞增 1000 * 1000 次，期望最終的 sum 為 2 * 1000 * 1000。使用了 lock 防止了數(shù)據(jù)競爭：

• 每次執(zhí)行程序的輸出結(jié)果都是相同的
• 實際結(jié)果和期望結(jié)果相符合