互斥锁

1. 线程不安全举例

上一节的举例已经说明了,多线程开发可能会出现数据错误的情况

为了演示,以下有一份代码

有一个全局的计数num,每个线程获取这个全局的计数,根据num进行一些处理,然后将num加1

    #coding=utf-8
    import threading
    import time

    num = 0

    class MyThread(threading.Thread):
        def run(self):
            global num

            num = num+1
            time.sleep(0.5) #用来模拟适当的数据处理
            msg = self.name+' set num to '+str(num)
            print msg

    def test():
        for i in range(5):
            t = MyThread()
            t.start()

    if __name__ == '__main__':
        test()

运行结果:

啊???为什么结果会这样?

问题产生的原因就是没有控制多个线程对同一资源的访问,对数据造成破坏,使得线程运行的结果不可预期。这种现象称为“线程不安全”。

2. 互斥锁

上面的例子引出了多线程编程的最常见问题:数据共享错误

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:

    #coding=utf-8
    import threading
    import time

    num = 0
    mutex = threading.Lock()

    class MyThread(threading.Thread):
        def run(self):
            global num 
            mutexFlag = mutex.acquire(True) #True表示堵塞
            print('---线程(%s)的锁状态为%d---'%(self.name,mutexFlag))
            if mutexFlag:#判断上锁是否成功
                num = num+1
                time.sleep(1)
                msg = self.name+' set num to '+str(num)
                print msg
                mutex.release()

    def test():
        for i in range(5):
            t = MyThread()
            t.start()

    if __name__ == '__main__':
        test()

运行结果:

可以看到,加入互斥锁后,运行结果与预期相符。

    #coding=utf-8
    import threading
    import time

    num = 0
    mutex = threading.Lock()

    class MyThread(threading.Thread):
        def run(self):
            global num 
            mutexFlag = mutex.acquire(False) #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
            print('---线程(%s)的锁状态为%d---'%(self.name,mutexFlag))
            if mutexFlag:#判断上锁是否成功
                num = num+1
                time.sleep(1)
                msg = self.name+' set num to '+str(num)
                print msg
                mutex.release()

    def test():
        for i in range(5):
            t = MyThread()
            t.start()

    if __name__ == '__main__':
        test()

运行结果:

3. 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。

4. 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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