Python condition实现线程通信(详解版)

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当线程在系统中运行时,线程的调度具有一定的透明性,通常程序无法准确控制线程的轮换执行,如果有需要,Python…

当线程在系统中运行时,线程的调度具有一定的透明性,通常程序无法准确控制线程的轮换执行,如果有需要,Python 可通过线程通信来保证线程协调运行。

假设系统中有两个线程,这两个线程分别代表存款者和取钱者,现在假设系统有一种特殊的要求,即要求存款者和取钱者不断地重复存款、取钱的动作,而且要求每当存款者将钱存入指定账户后,取钱者就立即取出该笔钱。不允许存款者连续两次存钱,也不允许取钱者连续两次取钱。

为了实现这种功能,可以借助于 Condition 对象来保持协调。使用 Condition 可以让那些己经得到 Lock 对象却无法继续执行的线程释放 Lock 对象,Condition 对象也可以唤醒其他处于等待状态的线程。

将 Condition 对象与 Lock 对象组合使用,可以为每个对象提供多个等待集(wait-set)。因此,Condition 对象总是需要有对应的 Lock 对象。从 Condition 的构造器 __init__(self, lock=None) 可以看出,程序在创建 Condition 时可通过 lock 参数传入要绑定的 Lock 对象;如果不指定 lock 参数,在创建 Condition 时它会自动创建一个与之绑定的 Lock 对象。

Condition 类提供了如下几个方法:

  • acquire([timeout])/release():调用 Condition 关联的 Lock 的 acquire() 或 release() 方法。
  • wait([timeout]):导致当前线程进入 Condition 的等待池等待通知并释放锁,直到其他线程调用该 Condition 的 notify() 或 notify_all() 方法来唤醒该线程。在调用该 wait() 方法时可传入一个 timeout 参数,指定该线程最多等待多少秒。
  • notify():唤醒在该 Condition 等待池中的单个线程并通知它,收到通知的线程将自动调用 acquire() 方法尝试加锁。如果所有线程都在该 Condition 等待池中等待,则会选择唤醒其中一个线程,选择是任意性的。
  • notify_all():唤醒在该 Condition 等待池中等待的所有线程并通知它们。

本例程序中,可以通过一个旗标来标识账户中是否已有存款,当旗标为 False 时,表明账户中没有存款,存款者线程可以向下执行,当存款者把钱存入账户中后,将旗标设为 True,并调用 Condition 的 notify() 或 notify_all() 方法来唤醒其他线程。

当存款者线程进入线程体后,如果旗标为 True,就调用 Condition 的 wait() 方法让该线程等待。当旗标为 True 时,表明账户中已经存入了钱,取钱者线程可以向下执行,当取钱者把钱从账户中取出后,将旗标设为 False,并调用 Condition 的 notify() 或 notify_all() 方法来唤醒其他线程;当取钱者线程进入线程体后,如果旗标为 False,就调用 wait() 方法让该线程等待。

本程序为 Account 类提供了 draw() 和 deposit() 两个方法,分别对应于该账户的取钱和存款操作。因为这两个方法可能需要并发修改 Account 类的 self.balance 成员变量的值,所以它们都使用 Lock 来控制线程安全。除此之外,这两个方法还使用了 Condition 的 wait() 和 notify_all() 来控制线程通信。

  import threading    class Account:      # 定义构造器      def __init__(self, account_no, balance):          # 封装账户编号、账户余额的两个成员变量          self.account_no = account_no          self._balance = balance          self.cond = threading.Condition()          # 定义代表是否已经存钱的旗标          self._flag = False        # 因为账户余额不允许随便修改,所以只为self._balance提供getter方法      def getBalance(self):          return self._balance      # 提供一个线程安全的draw()方法来完成取钱操作      def draw(self, draw_amount):          # 加锁,相当于调用Condition绑定的Lock的acquire()          self.cond.acquire()          try:              # 如果self._flag为假,表明账户中还没有人存钱进去,取钱方法阻塞              if not self._flag:                  self.cond.wait()              else:                  # 执行取钱操作                  print(threading.current_thread().name                      + " 取钱:" +  str(draw_amount))                  self._balance -= draw_amount                  print("账户余额为:" + str(self._balance))                  # 将标识账户是否已有存款的旗标设为False                  self._flag = False                  # 唤醒其他线程                  self.cond.notify_all()          # 使用finally块来释放锁          finally:              self.cond.release()      def deposit(self, deposit_amount):          # 加锁,相当于调用Condition绑定的Lock的acquire()          self.cond.acquire()          try:              # 如果self._flag为真,表明账户中已有人存钱进去,存钱方法阻塞              if self._flag:            # ①                  self.cond.wait()              else:                  # 执行存款操作                  print(threading.current_thread().name                      + " 存款:" +  str(deposit_amount))                  self._balance += deposit_amount                  print("账户余额为:" + str(self._balance))                  # 将表示账户是否已有存款的旗标设为True                  self._flag = True                  # 唤醒其他线程                  self.cond.notify_all()          # 使用finally块来释放锁          finally:              self.cond.release()

上面程序使用 Condition 的 wait() 和 notify_all() 方法进行控制,对存款者线程而言,当程序进入 deposit() 方法后,如果 self._flag 为 True,则表明账户中已有存款,程序调用 Condition 的 wait() 方法被阻塞;否则,程序向下执行存款操作,当存款操作执行完成后,系统将 self._flag 设为 True,然后调用 notify_all() 来唤醒其他被阻塞的线程。如果系统中有存款者线程,存款者线程也会被唤醒,但该存款者线程执行到 ① 号代码处时再次进入阻塞状态,只有执行 draw() 方法的取钱者线程才可以向下执行。同理,取钱者线程的运行流程也是如此。

程序中的存款者线程循环 100 次重复存款,而取钱者线程则循环 100 次重复取钱,存款者线程和取钱者线程分别调用 Account 对象的 deposit()、draw() 方法来实现。主程序可以启动任意多个“存款”线程和“取钱”线程,可以看到所有的“取钱”线程必须等“存款”线程存钱后才可以向下执行,而“存款”线程也必须等“取钱”线程取钱后才可以向下执行。主程序代码如下:

  import threading  import Account    #  定义一个函数,模拟重复max次执行取钱操作  def draw_many(account, draw_amount, max):      for i in range(max):          account.draw(draw_amount)  #  定义一个函数,模拟重复max次执行存款操作  def deposit_many(account, deposit_amount, max):      for i in range(max):          account.deposit(deposit_amount)  # 创建一个账户  acct = Account.Account("1234567" , 0)  # 创建、并启动一个“取钱”线程  threading.Thread(name="取钱者", target=draw_many,      args=(acct, 800, 100)).start()  # 创建、并启动一个“存款”线程  threading.Thread(name="存款者甲", target=deposit_many,      args=(acct , 800, 100)).start();  threading.Thread(name="存款者乙", target=deposit_many,      args=(acct , 800, 100)).start()  threading.Thread(name="存款者丙", target=deposit_many,      args=(acct , 800, 100)).start()

运行该程序,可以看到存款者线程、取钱者线程交替执行的情形,每当存款者向账户中存入 800 元之后,取钱者线程就立即从账户中取出这笔钱。存款完成后账户余额总是 800 元,取钱结束后账户余额总是 0 元。

运行该程序,将会看到如图 1 所示的结果。

Python condition实现线程通信(详解版)
图 1 线程通信的效果

从图 1 中可以看出,3 个存款者线程随机地向账户中存钱,只有 1 个取钱者线程执行取钱操作。只有当取钱者线程取钱后,存款者线程才可以存钱;同理,只有等存款者线程存钱后,取钱者线程才可以取钱。

图 1 显示程序最后被阻塞无法继续向下执行。这是因为 3 个存款者线程共有 300 次尝试存钱操作,但 1 个取钱者线程只有 100 次尝试取钱操作,所以程序最后被阻塞。

如图 1 所示的阻塞并不是死锁,对于这种情况,取钱者线程已经执行结束,而存款者线程只是在等待其他线程来取钱而已,并不是等待其他线程释放同步监视器。不要把死锁和程序阻塞等同起来。

关于作者: Python基础入门教程

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