Python Thread虛假喚醒概念與防範詳解

2023-02-28 18:01:43

什麼是虛假喚醒

虛假喚醒是一種現象，它只會出現在多執行緒環境中，指的是在多執行緒環境下，多個執行緒等待在同一個條件上，等到條件滿足時，所有等待的執行緒都被喚醒，但由於多個執行緒執行的順序不同，後面競爭到鎖的執行緒在獲得時間片時條件已經不再滿足，執行緒應該繼續睡眠但是卻繼續往下執行的一種現象。

上面是比較書面化的定義，我們用人能聽懂的話來介紹一下虛假喚醒。

多執行緒環境的程式設計中，我們經常遇到讓多個執行緒等待在一個條件上，等到這個條件成立的時候我們再去喚醒這些執行緒，讓它們接著往下執行程式碼的場景。假如某一時刻條件成立，所有的執行緒都被喚醒了，然後去競爭鎖，因為同一時刻只會有一個執行緒能拿到鎖，其他的執行緒都會阻塞到鎖上無法往下執行，等到成功爭搶到鎖的執行緒消費完條件，釋放了鎖，後面的執行緒繼續執行，拿到鎖時這個條件很可能已經不滿足了，這個時候執行緒應該繼續在這個條件上阻塞下去，而不應該繼續執行，如果繼續執行了，就說發生了虛假喚醒。

import threading
from threading import Condition
class Data:
    def __init__(self, cond, num):
        self.num = num
        self.cond = cond
    def add(self):
        self.cond: Condition = self.cond
        self.cond.acquire()
        if self.num > 0:
            self.cond.wait()
        self.num += 1
        print(threading.current_thread().getName(), self.num)
        self.cond.notifyAll()
        self.cond.release()
    def decr(self):
        self.cond: Condition = self.cond
        self.cond.acquire()
        if self.num == 0:
            self.cond.wait()
        self.num -= 1
        print(threading.current_thread().getName(), self.num)
        self.cond.notifyAll()
        self.cond.release()
if __name__ == '__main__':
    cond = Condition()
    num = 0
    data = Data(cond, 0)
    thread_add = threading.Thread(name="A", target=data.add)
    thread_decr = threading.Thread(name="B", target=data.decr)
    thread_add.start()
    thread_decr.start()

現在改用4個執行緒

import threading
from threading import Condition
class Data:
    def __init__(self, cond, num):
        self.num = num
        self.cond = cond
    def add(self):
        self.cond: Condition = self.cond
        self.cond.acquire()
        if self.num > 0:
            self.cond.wait()
        self.num += 1
        print(threading.current_thread().getName(), self.num)
        self.cond.notifyAll()
        self.cond.release()
    def decr(self):
        self.cond: Condition = self.cond
        self.cond.acquire()
        if self.num == 0:
            self.cond.wait()
        self.num -= 1
        print(threading.current_thread().getName(), self.num)
        self.cond.notifyAll()
        self.cond.release()
if __name__ == '__main__':
    cond = Condition()
    num = 0
    data = Data(cond, 0)
    thread_add = threading.Thread(name="A", target=data.add)
    thread_decr = threading.Thread(name="B", target=data.decr)
    thread_add2 = threading.Thread(name="C", target=data.add)
    thread_decr2 = threading.Thread(name="D", target=data.decr)
    thread_add.start()
    thread_decr.start()
    thread_add2.start()
    thread_decr2.start()

還沒有出現問題！！！

使用20個執行緒同時跑

import threading
from threading import Condition
class Data:
    def __init__(self, cond, num):
        self.num = num
        self.cond = cond
    def add(self):
        self.cond: Condition = self.cond
        self.cond.acquire()
        if self.num > 0:
            self.cond.wait()
        self.num += 1
        print(threading.current_thread().getName(), self.num)
        self.cond.notifyAll()
        self.cond.release()
    def decr(self):
        self.cond: Condition = self.cond
        self.cond.acquire()
        if self.num == 0:
            self.cond.wait()
        self.num -= 1
        print(threading.current_thread().getName(), self.num)
        self.cond.notifyAll()
        self.cond.release()
if __name__ == '__main__':
    cond = Condition()
    num = 0
    data = Data(cond, 0)
    for i in range(10):
        thread_add = threading.Thread(name="A", target=data.add)
        thread_add.start()
    for i in range(10):
        thread_decr = threading.Thread(name="B", target=data.decr)
        thread_decr.start()

這時就出現了問題！！！

現在改用while進行判斷

防止虛假喚醒：

import threading
from threading import Condition
class Data:
    def __init__(self, cond, num):
        self.num = num
        self.cond = cond
    def add(self):
        self.cond: Condition = self.cond
        self.cond.acquire()
        # 這裡採用了while進行判斷，防止虛假喚醒
        while self.num > 0:
            self.cond.wait()
        self.num += 1
        print(threading.current_thread().getName(), self.num)
        self.cond.notifyAll()
        self.cond.release()
    def decr(self):
        self.cond: Condition = self.cond
        self.cond.acquire()
        # 這裡採用了while進行判斷，防止虛假喚醒
        while self.num == 0:
            self.cond.wait()
        self.num -= 1
        print(threading.current_thread().getName(), self.num)
        self.cond.notifyAll()
        self.cond.release()
if __name__ == '__main__':
    cond = Condition()
    num = 0
    data = Data(cond, 0)
    for i in range(10):
        thread_add = threading.Thread(name="A", target=data.add)
        thread_add.start()
    for i in range(10):
        thread_decr = threading.Thread(name="B", target=data.decr)
        thread_decr.start()

這個例子與上面的程式碼幾乎沒有差別，只是把if判斷換成了while判斷，所以每次蕭炎和唐三醒過來之後都會再判斷一下有沒有蘋果（喚醒自己的條件是否滿足），如果不滿足，就會繼續睡下去，不會接著往下執行，從而避免了虛假喚醒。

總結

等待在一個條件上的執行緒被全部喚醒後會去競爭鎖，所以這些執行緒會一個一個地去消費這個條件，等到後面的執行緒去消費這個條件時，條件可能已經不滿足了，所以每個被喚醒的執行緒都需要再檢查一次條件是否滿足。如果不滿足，應該繼續睡下去；只有滿足了才能往下執行。

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Python Thread虛假喚醒概念與防範詳解

目錄

什麼是虛假喚醒

現在改用4個執行緒

使用20個執行緒同時跑

現在改用while進行判斷

總結

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