Python: 線程同步原語

一、概述

當多個線程同時訪問共享資源時，可能會發生競態條件（Race Condition），導致數據不一致或程序異常崩潰等問題。而線程同步就是為了防止競態條件而採取的一些機制。Python提供了一些線程同步原語（Synchronization Primitives），用於協調線程之間的訪問。本文將介紹Python中的幾種常用線程同步原語，包括鎖、信號量、事件和條件變數。

二、鎖

鎖是最常用的線程同步機制，在Python中通過threading模塊中的Lock類來實現。在使用鎖時，一個線程獲得了鎖之後，其他線程不能再獲得該鎖，直到該線程釋放鎖為止。

import threading

num = 0 # 共享變數
lock = threading.Lock() # 創建鎖對象

# 線程函數
def func():
    global num
    for i in range(100000):
        lock.acquire() # 獲取鎖
        num += 1 # 對共享變數進行操作
        lock.release() # 釋放鎖

t1 = threading.Thread(target=func)
t2 = threading.Thread(target=func)
t1.start()
t2.start()
t1.join()
t2.join()

print(num) # 輸出結果為200000

三、信號量

信號量是一種比鎖更為通用的線程同步原語，在Python中通過threading模塊中的Semaphore類來實現。在使用信號量時，可以設置一個計數器，每當一個線程獲取了信號量時，計數器就會減1；而每當一個線程釋放信號量時，計數器就會加1。當計數器為0時，其他線程將被阻塞。

import threading

num = 0 # 共享變數
sem = threading.Semaphore(1) # 創建信號量對象，初始值為1

# 線程函數
def func():
    global num
    for i in range(100000):
        sem.acquire() # 獲取信號量
        num += 1 # 對共享變數進行操作
        sem.release() # 釋放信號量

t1 = threading.Thread(target=func)
t2 = threading.Thread(target=func)
t1.start()
t2.start()
t1.join()
t2.join()

print(num) # 輸出結果為200000

四、事件

事件是用於線程之間通信的一種機制，在Python中通過threading模塊中的Event類來實現。事件對象有一個內部的標誌位，默認為False，可以通過set()方法將其設置為True，也可以通過clear()方法將其設置為False；可以通過wait()方法來等待事件的發生。

import threading

event = threading.Event()

# 子線程函數
def sub_thread():
    print('sub_thread: wait for event')
    event.wait() # 等待事件的發生
    print('sub_thread: event is set')

# 主線程函數
def main_thread():
    print('main_thread: start')
    event.set() # 設置事件
    print('main_thread: event is set')
    sub_thread()
    
t = threading.Thread(target=main_thread)
t.start()
t.join()

五、條件變數

條件變數是一種更為複雜的線程同步機制，在Python中通過threading模塊中的Condition類來實現。條件變數通常與鎖一起使用，當某個條件不滿足時，該線程就會進入阻塞狀態；而當某個條件滿足時，該線程就會被喚醒。

import threading

num = 0 # 共享變數
condition = threading.Condition()

# 生產者線程函數
def producer():
    global num
    for i in range(10):
        with condition:
            # 檢查條件
            while num >= 5:
                print('producer: wait for condition')
                condition.wait()
            # 生產數據
            num += 1
            print('producer: produce data, num =', num)
            # 喚醒消費者
            condition.notify()

# 消費者線程函數
def consumer():
    global num
    for i in range(10):
        with condition:
            # 檢查條件
            while num <= 0:
                print('consumer: wait for condition')
                condition.wait()
            # 消費數據
            num -= 1
            print('consumer: consume data, num =', num)
            # 喚醒生產者
            condition.notify()

t1 = threading.Thread(target=producer)
t2 = threading.Thread(target=consumer)
t1.start()
t2.start()
t1.join()
t2.join()

六、總結

線程同步是多線程編程中必不可少的部分，而在Python中，使用線程同步機制可以通過Lock、Semaphore、Event和Condition等幾種不同的方式來實現。我們在編寫多線程程序時，應當充分考慮線程之間的同步和通信，以確保程序的正確性。