浅谈Python线程的同步互斥与死锁

脚本专栏 2024/11/8 佚名

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线程间通信方法

1. 通信方法

线程间使用全局变量进行通信

2. 共享资源争夺

共享资源：多个进程或者线程都可以操作的资源称为共享资源。对共享资源的操作代码段称为临界区。

影响：对共享资源的无序操作可能会带来数据的混乱，或者操作错误。此时往往需要同步互斥机制协调操作顺序。

3. 同步互斥机制

同步：同步是一种协作关系，为完成操作，多进程或者线程间形成一种协调，按照必要的步骤有序执行操作。两个或两个以上的进程或线程在运行过程中协同步调，按预定的先后次序运行。比如 A 任务的运行依赖于 B 任务产生的数据。

互斥：互斥是一种制约关系，当一个进程或者线程占有资源时会进行加锁处理，此时其他进程线程就无法操作该资源，直到解锁后才能操作。一个公共资源同一时刻只能被一个进程或线程使用，多个进程或线程不能同时使用公共资源

线程同步互斥方法

线程Event同步

from threading import Event
e = Event() 创建线程event对象
e.wait([timeout]) 阻塞等待e被set
e.set() 设置e，使wait结束阻塞
e.clear() 使e回到未被设置状态
e.is_set() 查看当前e是否被设置

示例：

import time
import threading
 
event = threading.Event()
 
 
# 红绿灯
def lighter():
  count = 0
  event.set() # 刚进来的时候是绿灯
  while True:
    if 4 < count < 10:
      event.clear() # 清除设置，阻塞等待
      print("[信号灯]：红，不能通行", count)
    elif count >= 10: # 添加设置，继续执行
      event.set()
      count = 0
    else:
      event.set() # 添加设置，继续执行
      print("[信号灯]：绿灯，可以通行", count)
    time.sleep(1)
    count += 1
 
 
# 汽车
def car(name):
  while True:
    if event.is_set():
      print("{0}: 绿灯 , 走起...".format(name))
      time.sleep(1)
    else:
      print("{0}: 红灯 , 停车...".format(name))
      event.wait()
      print("{0}: 绿灯亮了 , 继续前进...".format(name))
 
 
light = threading.Thread(target=lighter, )
light.start()
car1 = threading.Thread(target=car, args=("小跑",))
car1.start()

线程锁 Lock

from threading import Lock
lock = Lock() #创建锁对象
lock.acquire() #上锁 如果lock已经上锁再调用会阻塞
lock.release() #解锁

with lock: 上锁

with代码块结束自动解锁

示例：

from threading import Thread, Lock
from time import sleep
 
a = b = 0
lock = Lock()
 
 
# 子线程输出a b
def value():
  while True:
    lock.acquire() # 上锁
    if a != b:
      print("a = %d,b = %d" % (a, b))
    lock.release() # 解锁
 
 
t = Thread(target=value)
t.start()
 
# 主线程加锁更改a b时候，子线程处理a b 时也要进行加锁，重复加锁就会阻塞等待主线程处理结束
# 同理主进程再次更改a b 时等 子进程结束才可以
while True:
  with lock: # 自动上/解锁
    a += 1
    b += 1
t.join

死锁及其处理

1. 定义

死锁是指两个或两个以上的线程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁。

2. 死锁产生条件

【互斥条件】：指线程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的进程用毕释放。

【请求和保持条件】：指线程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求线程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。

【不剥夺条件】：指线程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放,通常CPU内存资源是可以被系统强行调配剥夺的。

【环路等待条件】：指在发生死锁时，必然存在一个线程——资源的环形链，即进程集合{T0，T1，T2，···，Tn}中的T0正在等待一个T1占用的资源；T1正在等待T2占用的资源，……，Tn正在等待已被T0占用的资源。

简单来说造成死锁的原因可以概括成三句话：

【1】当前线程拥有其他线程需要的资源

【2】当前线程等待其他线程已拥有的资源

【3】都不放弃自己拥有的资源

T1拥有R1，T2拥有R2。T1请求使用R2，T2请求使用R1，但是T1，T2 都不愿释放R1，R2，互相一直等待下去，造成死锁

3. 如何避免死锁

死锁是我们非常不愿意看到的一种现象，我们要尽可能避免死锁的情况发生。通过设置某些限制条件，去破坏产生死锁的四个必要条件中的一个或者几个，来预防发生死锁。预防死锁是一种较易实现的方法。但是由于所施加的限制条件往往太严格，可能会导致系统资源利用率。

from threading import Lock, Thread
 
 
# 交易类
class Account:
  def __init__(self, _id, balance, lock):
    self.id = _id
    self.balance = balance
    self.lock = lock # 各自账户锁
 
  # 取钱
  def withdraw(self, amount):
    self.balance -= amount
 
  # 存钱
  def deposit(self, amount):
    self.balance += amount
 
  # 查看账户
  def get_balance(self):
    return self.balance
 
 
# 转账
def transfer(from_, to, amount):
  if from_.lock.acquire(): # 锁住自己的账户
    from_.withdraw(amount) # 自己账户减少
    if to.lock.acquire(): # 锁住对方账户
      to.deposit(amount) # 对方账户增加
      to.lock.release() # 解锁对方账户
    from_.lock.release() # 自己账户解锁
  print("转账完成")
 
 
Abby = Account("Abby", 5000, Lock())
Balen = Account("Balen", 3000, Lock())
 
t = Thread(target=transfer, args=(Abby, Balen, 1000))
t2 = Thread(target=transfer, args=(Balen, Abby, 500))
t.start()
t2.start()
t.join()
t2.join()
 
print("Abby:", Abby.get_balance())
print("Balen:", Balen.get_balance())

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