聊聊 Python 中的同步原语，为什么有了 GIL 还需要同步原语

前言

• 在前面的文章中我们介绍了 Python 中的全局解释器锁 GIL，我们知道 GIL 可以保证在多线程场景下同一时刻只有一个线程运行，但是并不能保证线程安全（所谓线程安全简单来说就是程序在多线程环境中运行时，线程在交替运行时能正常的访问共享资源，不会造成数据不一致或者死锁，最后都能达到预期的结果），比如我们看下面的两个例子：2Uh28资讯网——每日最新资讯28at.com

对 counter 进行累加

import threadingimport timecounter = 0temp_count = 0def increment():    global counter, temp_count    for _ in range(1000):        counter += 1        temp = temp_count        time.sleep(0.0001)        temp_count = temp + 1start = time.time()threads = []for _ in range(10):    t = threading.Thread(target=increment)    threads.append(t)    t.start()for t in threads:    t.join()end = time.time()print("Final counter value:", counter)print("Final temp_count value:", temp_count)print(f"总共耗时：{end - start}")# 运行结果Final counter value: 10000Final temp_count value: 1001总共耗时：0.5465419292449951

• 上面我们对 counter 做多线程累积时，尽管 counter += 1 是非原子操作，但是由于 CPU 执行太快，因此我们很难复现线程不安全的情况，因此我们使用 temp_count 写法进行手动模拟。2Uh28资讯网——每日最新资讯28at.com

账户取款

import threadingclass BankAccount:    def __init__(self, balance):        self.balance = balance    def withdraw(self, amount):        if self.balance >= amount:            # 发生线程切换            self.balance -= amount            print(f"Withdrawal successful. Balance: {self.balance}")        else:            print("Insufficient funds")    def deposit(self, amount):        self.balance += amount        print(f"Deposit successful. Balance: {self.balance}")if __name__ == "__main__":    account = BankAccount(1000)    # 创建多个线程进行取款存款操作    threads = []    for _ in range(5):        t = threading.Thread(target=account.withdraw, args=(account, 200))        threads.append(t)        t.start()    for t in threads:        t.join()

• 上面的代码同样是线程不安全的，考虑这个场景，如果此时账户余额中剩余200，线程1执行完 self.balance >= amount 后切换到线程2，线程2正常取款200，然后切换回线程1，导致此时余额为-2200。2Uh28资讯网——每日最新资讯28at.com

使用同步原语保证线程安全

• 从上面的两个案例中我们可以看出，GIL 并不能保证线程安全，我们需要使用同步原语来进行线程同步保证线程安全。2Uh28资讯网——每日最新资讯28at.com

locked、release 显式获取锁和释放锁

• 在一些比较老的 python 代码中，我们可以看到很多使用 locked、release 显式获取锁和释放锁 的用法。2Uh28资讯网——每日最新资讯28at.com

import threadingclass BankAccount:    def __init__(self, balance):        self.balance = balance        self.lock = threading.Lock()    def withdraw(self, amount):        self.lock.locked()        if self.balance >= amount:            self.balance -= amount            print(f"Withdrawal successful. Balance: {self.balance}")        else:            print("Insufficient funds")        self.lock.release()    def deposit(self, amount):        self.lock.locked()        self.balance += amount        print(f"Deposit successful. Balance: {self.balance}")        self.lock.release()if __name__ == "__main__":    account = BankAccount(1000)    # 创建多个线程进行取款存款操作    threads = []    for _ in range(5):        t = threading.Thread(target=account.withdraw, args=(account, 200))        threads.append(t)        t.start()    for t in threads:        t.join()

使用 with 语句同步原理

• 相比于这种显式调用的方法，with 语句更加优雅，也更不容易出错，特别是程序员可能会忘记调用 release() 方法或者程序在获得锁之后产生异常这两种情况（使用 with 语句可以保证在这两种情况下仍能正确释放锁）。2Uh28资讯网——每日最新资讯28at.com

import threadingclass BankAccount:    def __init__(self, balance):        self.balance = balance        self.lock = threading.Lock()    def withdraw(self, amount):        with self.lock:            if self.balance >= amount:                self.balance -= amount                print(f"Withdrawal successful. Balance: {self.balance}")            else:                print("Insufficient funds")    def deposit(self, amount):        with self.lock:            self.balance += amount            print(f"Deposit successful. Balance: {self.balance}")if __name__ == "__main__":    account = BankAccount(1000)    # 创建多个线程进行取款存款操作    threads = []    for _ in range(5):        t = threading.Thread(target=account.withdraw, args=(account, 200))        threads.append(t)        t.start()    for t in threads:        t.join()

其它支持同步原语：RLock 和 Semaphore

RLock

• 一个 RLock （可重入锁）可以被同一个线程多次获取，主要用来实现基于监测对象模式的锁定和同步。在使用这种锁的情况下，当锁被持有时，只有一个线程可以使用完整的函数或者类中的方法。2Uh28资讯网——每日最新资讯28at.com

import threadingclass SharedCounter:    '''    A counter object that can be shared by multiple threads.    '''    _lock = threading.RLock()    def __init__(self, initial_value = 0):        self._value = initial_value    def incr(self,delta=1):        '''        Increment the counter with locking        '''        with SharedCounter._lock:            self._value += delta    def decr(self,delta=1):        '''        Decrement the counter with locking        '''        with SharedCounter._lock:             self.incr(-delta)

• 在上边这个例子中，没有对每一个实例中的可变对象加锁，取而代之的是一个被所有实例共享的类级锁。这个锁用来同步类方法，具体来说就是，这个锁可以保证一次只有一个线程可以调用这个类方法。不过，与一个标准的锁不同的是，已经持有这个锁的方法在调用同样使用这个锁的方法时，无需再次获取锁。比如 decr 方法。 这种实现方式的一个特点是，无论这个类有多少个实例都只用一个锁。因此在需要大量使用计数器的情况下内存效率更高。不过这样做也有缺点，就是在程序中使用大量线程并频繁更新计数器时会有争用锁的问题。2Uh28资讯网——每日最新资讯28at.com

Semaphore

• 信号量对象是一个建立在共享计数器基础上的同步原语。如果计数器不为0，with 语句将计数器减1，线程被允许执行。with 语句执行结束后，计数器加１。如果计数器为0，线程将被阻塞，直到其他线程结束将计数器加1。2Uh28资讯网——每日最新资讯28at.com

import urllib.requestfrom threading import Semaphore# At most, five threads allowed to run at once_fetch_url_sema = Semaphore(5)def fetch_url(url):    with _fetch_url_sema:        return urllib.request.urlopen(url)

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