Python執行緒之認識執行緒安全

2022-02-24 13:00:49

一、什麼是執行緒安全？

執行緒安全，名字就非常直接，在多執行緒情況下是安全的，多執行緒操作上的安全。

比如一個計算加法的函數，不管是一千個還是一萬個執行緒，我們希望它執行的結果總是正確的，1+1 必須永遠等於2, 而不是執行緒少的時候1+1 變成3或者4了。

通常我們都用執行緒安全來修飾一個類，修飾一個函數：

我們會說我設計的這個類是執行緒安全的
這意味著，在多執行緒環境下，同時呼叫這個類的函數不會出現函數設定預期之外的異常（上述的1+1=3的情況）

二、在Python中有哪些類是執行緒安全的？

dict 和 list，tuple這些都是執行緒安全。

它們是被全域性直譯器保障了，這個鎖：GIL（全域性直譯器鎖）確保了任何時候只能有一個執行緒執行相應操作的位元組碼。參考

但是這番話也是說的不清不楚的。

現在我們拿轉賬來解析吧：

xuewei_account = dict()
xuewei_account['amount'] = 100

# amount為負數即是轉出金額
def transfer(money):
    xuewei_account['amount'] +=  money

如上，程式碼為一個函數對jb_account（賬戶）進行轉入金額操作。

這裡用了dict型別，GIL會保證只有一個執行緒操作賬戶。

下面是多個執行緒進行操作的程式碼：

import random
import threading
import datetime
import time

xuewei_account = dict()
xuewei_account['amount'] = 100


# amount為負數即是轉出金額
def transfer(money):
    xuewei_account['amount'] +=  money


# 建立4個任務給重複學委賬戶轉賬
threads = []
for i in range(200):
    t1 = threading.Thread(target=lambda: transfer(-1))
    threads.append(t1)
    t2 = threading.Thread(target=lambda: transfer(1))
    threads.append(t2)

for t in threads:
    t.start()
    
# 這次不用sleep了，用join來等待所有執行緒執行完畢
# join函數必須執行緒start後才能呼叫，否則出錯。
for t in threads:
    t.join()

print("-" * 16)
print("活躍執行緒數:", threading.active_count())
print("活躍執行緒:", threading.current_thread().name)
print("學委賬戶餘額：", xuewei_account)

這段程式碼執行的輸出結果正常，因為是反覆+1/-1，最後肯定是恢復原賬戶餘額。

雖然多個執行緒，但是每個執行緒只對xuewei_account進行一次讀寫，這時候dict是安全的。

但是我們把賦值修改dict的操作變多之後（特別是一個執行緒內反覆多次獲取值然後修改），像下面的程式碼：

import random
import threading
import datetime
import time

xuewei_account = dict()
xuewei_account['amount'] = 100


# amount為負數即是轉出金額
def transfer(money):
    for i in range(100000):
        xuewei_account['amount'] = xuewei_account['amount'] + money


# 建立400個任務重複給學委賬戶轉賬
threads = []
for i in range(200):
    t1 = threading.Thread(target=lambda: transfer(-1))
    threads.append(t1)
    t2 = threading.Thread(target=lambda: transfer(1))
    threads.append(t2)

for t in threads:
    t.start()
for t in threads:
    t.join()

print("-" * 16)
print("活躍執行緒數:", threading.active_count())
print("活躍執行緒:", threading.current_thread().name)
print("學委賬戶餘額：", xuewei_account)

這是某一次執行結果（不保證每次acount的數值一樣）：

我們看到dict還是扛不住多個執行緒反覆的寫操作。

這裡區別是：每個執行緒只對xuewei_account進行大量讀寫，雖然dict是安全的，但是多個執行緒中間穿插修改了account，程式方法棧出現操作到舊值（看下面的圖）。

主要是下面這段程式碼：

xuewei_account[‘amount'] += money 
# 即是 xuewei_account[‘amount'] = xuewei_account[‘amount']+ money

再一步抽象簡化可以寫成：

a = a + b

每個執行緒都執行 +b 操作，最後a的值應該是a+2b。

上面的操作意味這下面的情況發生了：

在某個執行緒中可能出現某一個執行緒T1獲取了a值，準備加上b。

另外一個執行緒T2已經完成了a+b操作，把a的值變成了a+b了。

但是接下來T1 拿了a的值再執行a+b操作，把a的值變成a+b。

這樣就少加了一個b，本來最後結果是a+2b 的變成了 a+b（因為T1拿了a的舊值，中間T2執行完，T1才繼續執行）

當然實際多執行緒之間互動比上圖還要隨機。

三、如何做到真正執行緒安全？

dict讀取資料是執行緒安全，但是被反覆讀寫就容易出現資料混亂。

如果我們要設計一個執行緒安全的函數，那麼它必須不涉及任何共用變數或者是完全沒有狀態依賴的函數

def thread_safe_method():
    pass

1.無狀態函數

比如下面的加法函數，不管多少個執行緒呼叫，返回值永遠是預期的a+b。

def add(a, b):
    return a + b

2.另一種化繁為簡

許我們可以把多執行緒轉換為單執行緒，這個需要一個執行緒安全的媒介。

到此這篇關於Python執行緒之認識執行緒安全的文章就介紹到這了,更多相關認識Python執行緒安全內容請搜尋it145.com以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大家以後多多支援it145.com！

Python執行緒之認識執行緒安全

目錄

一、什麼是執行緒安全？

二、在Python中有哪些類是執行緒安全的？

三、如何做到真正執行緒安全？

1.無狀態函數

2.另一種化繁為簡

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二、在Python中有哪些類是執行緒安全的？

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1.無狀態函數

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