python並行場景鎖的使用方法

2022-07-03 14:00:09

前言

如果你學過作業系統，那麼對於鎖應該不陌生。鎖的含義是執行緒鎖，可以用來指定某一個邏輯或者是資源同一時刻只能有一個執行緒存取。這個很好理解，就好像是有一個房間被一把鎖鎖住了，只有拿到鑰匙的人才能進入。每一個人從房間門口拿到鑰匙進入房間，出房間的時候會把鑰匙再放回到門口。這樣下一個到門口的人就可以拿到鑰匙了。這裡的房間就是某一個資源或者是一段邏輯，而拿取鑰匙的人其實指的是一個執行緒。

加鎖的原因

我們明白了鎖的原理，不禁有了一個問題，我們為什麼需要鎖呢，它在哪些場景當中會用到呢？

其實它的使用場景非常廣，我們舉一個非常簡單的例子，就是淘寶買東西。我們都知道商家的庫存都是有限的，賣掉一個少一個。假如說當前某個商品庫存只剩下一個，但當下卻有兩個人同時購買。兩個人同時購買也就是有兩個請求同時發起購買請求，如果我們不加鎖的話，兩個執行緒同時查詢到商品的庫存是1，大於0，進行購買邏輯之後，同時減一。由於兩個執行緒同時執行，所以最後商品的庫存會變成-1。

顯然商品的庫存不應該是一個負數，所以我們需要避免這種情況發生。通過加鎖可以完美解決這個問題。我們規定一次只能有一個執行緒發起購買的請求，那麼這樣當一個執行緒將庫存減到0的時候，第二個請求就無法修改了，就保證了資料的準確性。

程式碼實現

那麼在Python當中，我們怎麼樣來實現這個鎖呢？

其實很簡單，threading庫當中已經為我們提供了執行緒的工具，我們直接拿過來用就可以了。我們通過使用threading當中的Lock物件，可以很輕易的實現方法加鎖的功能。

import threading
class PurchaseRequest:
    '''
    初始化庫存與鎖
    '''
    def __init__(self, initial_value = 0):
        self._value = initial_value
        self._lock = threading.Lock()

    def incr(self,delta=1):
        '''
        加庫存
        '''
        self._lock.acquire()
        self._value += delta
        self._lock.release()

    def decr(self,delta=1):
        '''
        減庫存
        '''
        self._lock.acquire()
        self._value -= delta
        self._lock.release()

我們從程式碼當中就可以很輕易的看出Lock這個物件的使用方法，我們在進入加鎖區（資源搶佔區）之前，我們需要先使用lock.acquire()方法獲取鎖。Lock物件可以保證同一時刻只能有一個執行緒獲取鎖，只有獲取了鎖之後才會繼續往下執行。當我們執行完成之後，我們需要把鎖“放回門口”，所以需要再呼叫一下release方法，表示鎖的釋放。

這裡有一個小問題是很多程式設計師在程式設計的時候總是會忘記release，導致不必要的bug，而且這種分散式場景當中的bug很難通過測試發現。因為測試的時候往往很難測試並行場景，code review的時候也很容易忽略，因此一旦洩露了還是挺難發現的。

為了解決這個問題，Lock還提供了一種改進的用法，就是使用with語句。with語句我們之前在使用檔案的時候用到過，使用with可以替我們完成try catch以及資源回收等工作，我們只管用就完事了。這裡也是一樣，使用with之後我們就可以不用管鎖的申請和釋放了，直接寫程式碼就行，所以上面的程式碼可以改寫成這樣：

import threading

class PurchaseRequest:
    '''
    初始化庫存與鎖
    '''
    def __init__(self, initial_value = 0):
        self._value = initial_value
        self._lock = threading.Lock()

    def incr(self,delta=1):
        '''
        加庫存
        '''
  with self._lock:
         self._value += delta

    def decr(self,delta=1):
        '''
        減庫存
        '''
        with self._lock:
         self._value -= delta

這樣看起來是不是清爽很多？

可重入鎖

上面介紹的只是最簡單的鎖，我們經常使用的往往是可重入鎖。

什麼叫可重入鎖呢？簡單解釋一下，就是在一個執行緒已經持有了鎖的情況下，它可以再次進入被加鎖的區域。但是既然執行緒還持有鎖沒有釋放，那麼它不應該還是在加鎖區域嗎，怎麼會有需要再次進入被加鎖區域的情況呢？其實是有的，道理也很簡單，就是遞迴。

我們把上面的例子稍微改一點點，就完全不一樣了。

import threading
class PurchaseRequest:
    '''
    初始化庫存與鎖
    '''
    def __init__(self, initial_value = 0):
        self._value = initial_value
        self._lock = threading.Lock()

    def incr(self,delta=1):
        '''
        加庫存
        '''
  with self._lock:
         self._value += delta

    def decr(self,delta=1):
        '''
        減庫存
        '''
        with self._lock:
         self.incr(-delta)

我們關注一下上面的decr方法，我們用incr來代替了原本的邏輯實現了decr。但是有一個問題是decr也是一個加鎖的方法，需要前一個鎖釋放了才能進入。但它已經持有了鎖了，那麼這種情況下就會發生死鎖。

我們只需要把Lock換成可重入鎖就可以解決這個問題，只需要修改一行程式碼。

import threading

class PurchaseRequest:
    '''
    初始化庫存與鎖
    我們使用RLock代替了Lock，也可重入鎖代替了普通鎖
    '''
    def __init__(self, initial_value = 0):
        self._value = initial_value
        self._lock = threading.RLock()

    def incr(self,delta=1):
        '''
        加庫存
        '''
  with self._lock:
         self._value += delta

    def decr(self,delta=1):
        '''
        減庫存
        '''
        with self._lock:
         self.incr(-delta)

總結

文章介紹了Python當中鎖的使用方法，以及可重入鎖的概念。在並行場景下開發和偵錯都是一個比較困難的工作，稍微不小心就會踩到各種各樣的坑，死鎖只是其中一種比較常見並且比較容易解決的問題，除此之外還有很多其他各種各樣的問題。

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python並行場景鎖的使用方法

目錄

前言

加鎖的原因

程式碼實現

可重入鎖

總結

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