Python线程安全，你真正了解了么？

馥琳

文章目录

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  • 1.什么是线程安全？
    
  • 2.GIL锁
    
  • 3.原子操作
    
  
  

网上经常看到一些关于线程安全的错误观点诸如： Python list、set 等非线程安全，而消息队列Queue线程安全，这是非常危险的大错特错的认识！！！
在Python中，线程安全是针对操作的原子性的，与对象无关
** 本文将从3个方向试图阐述这个问题**
1.什么是线程安全？

• 首先，线程安全不是针对对象的，所以不能说Queue是线程安全的，而另一个对象(如list)是非线程安全的
  
• 我们以一个demo解释下什么是线程安全
  1. import threadingnumber = 0def add():    global number    for i in range(1000000):        number += 1thread_1 = threading.Thread(target=add)thread_2 = threading.Thread(target=add)thread_1.start()thread_2.start()thread_1.join()thread_2.join()print(number)

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  按照推论应该是累加操作，结果应该是2000000才对，但是实际运行下来多次可以观察到每次结果不同,而且都小于 200000， 这就是线程非安全此处体现为全局变量数据污染
  

2.GIL锁

• cPython 解释器中存在大大的全局解释器锁，保证同一时间只有一个线程在运行
  
• 由此产生个问题: 既然同一时刻只能有一个线程执行，那么为什么还会出现线程非安全呢
  因为线程执行过程中的遇到io操作会,或者连续执行一定数量指令后，会让出cpu资源，让其他线程使用，即线程调度,以上面的代码执行流程为例: 当线程1 执行全局变量+1 的时候线程2此时是阻塞等待状态，cpu调度到线程2的时候才执行线程2中的全局变量+1,不像Go中执行多线程赋值全局变量操作时候是真正并行的,存在执行时间先后的问题导致的全局变量混乱即线程非安全,这么想来,python GIL锁的存在导致程序线程之间一来一回交替执行永远不会出错才对,哈哈，那为什么还会混乱呢？这是因为我们默认number += 1是个原子操作了，即操作的原子性
  

3.原子操作

• 原子操作（atomic operation），指不会被线程调度机制打断的操作，这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会切换到其他线程，它有点类似数据库中的 事务。
  
• 我们列举一些常见的原子操作
  
  1. L.append(x) L1.extend(L2) x = L[i] x = L.pop()L1[i:j] = L2L.sort()x = yx.field = yD[x] = yD1.update(D2)D.keys()

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• 常见的非原子操作
  
  1. i += 1L.append(L[-1])L[i] = L[j]D[x] = D[x] + 1

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• 如何确定原子操作？
  
  1. from dis import disdef func():    L = []    L.append(1+1)dis(func)

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  当一行代码被分成多条字节码指令的时候，就代表在线程线程切换时，有可能只执行了一条字节码指令，此时若这行代码里有被多个线程共享的变量或资源时，并且拆分的多条指令里有对于这个共享变量的写操作，就会发生数据的冲突，导致数据的不准确。
  
• 还是以上面的demo为例:
  当线程1执行 到number+=1 时，是分为两个字节码进行的操作，即 1. number+1 2. number赋值，那我们可以想象， 当所有线程同时运行，我们假设线程1先执行，此时线程1执行了一定数量的指令后，假设执行到 number=6后的 number+1(7) 这个原子操作处，此时线程2开始运行拿到的 number=6 那么 线程2接着执行累加到number=10，此时 交替到线程1 执行 number=7，多次循环运行下就会造成这个全局变量脏数据即线程非安全
  
• 如何解决呢？
  即强制同步操作，全局变量非原子操作的地方实行串行同步操作，即，强制原子化，把我们会产生线程安全问题的关键代码加锁，此时锁内的代码即为一个原子操作，再加上GIL锁的影响此时线程是绝对安全的。
  
• 我们对上述代码作些修改
  
  1. import threadingmutex = threading.Lock()number = 0def add():    global number    for i in range(1000000):            with mutex:                number += 1thread_1 = threading.Thread(target=add)thread_2 = threading.Thread(target=add)thread_1.start()thread_2.start()thread_1.join()thread_2.join()print(number)

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  此时线程绝对安全，最终结果为2000000
  Python list、set 等非线程安全，而消息队列Queue线程安全，因为list的append操作也有原子操作，此时不管怎么追加元素都不会造成数据污染，如果是 非原子操作的append如L.append(a+b) 此时也是安全的，因为 append内的原子操作不是针对共享变量的的，或者说列表的写操作安全，内容的安全性在其他地方加锁保证，总而言之一句话，哪里有冲突解决哪里
  结论: 线程非安全是针对操作的不是针对某一类对象而言，真正引起线程非安全的是 写操作，而非读操作，确定写操作安全性才能确保线程安全。最后一句，哪里有冲突解决哪里！
  

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