【并发编程】互斥锁

一、什么是互斥锁

由于并发状态下，操作系统对多个进程进行调度，而多个进程可能都有操作硬件的需求，这时就会产生多个进程对资源的共享，而共享意味着竞争，竞争会产生许多问题。这样就需要一种机制或者手段去解决竞争，使竞争变得有序化，从而使共享资源按照预定的结果去获取。这种手段就是加互斥锁。

使用互斥锁会由并发改为串行，牺牲了运行效率，但保证了数据安全。

二、代码示例

在并发状态下，如果没有互斥锁，多个进程竞争同一硬件，会出现错乱。这就好比多个人合租同一套房，会出现争抢卫生间的现象。一个人上卫生间后上一把锁，其他人都要等着，等到完成这个任务后释放锁。如果没有互斥锁，会产生下列现象：

from multiprocessing import Process
import time
import os


def task(name):
    print('%s 上厕所 [%s]' % (name, os.getpid()))
    time.sleep(1)
    print('%s 上完厕所 [%s]' % (name, os.getpid()))


if __name__ == '__main__':
    for i in range(3):
        p = Process(target=task, args=('进程%s' % i,))
        p.start()

运行结果如下：

这种现象是不应该发生的。可以引入Lock加上互斥锁。

from multiprocessing import Process, Lock
import time
import os


def task(name, mutex):
    mutex.acquire()  #落锁
    print('%s 上厕所 [%s]' % (name, os.getpid()))
    time.sleep(1)
    print('%s 上完厕所 [%s]' % (name, os.getpid()))
    mutex.release()  #释放锁


if __name__ == '__main__':
    mutex = Lock()   #父进程创建该变量后，子进程也会拷贝该数据
    for i in range(3):
        p = Process(target=task, args=('进程%s' % i, mutex))  #将lock传给子进程，所有子进程用同一把锁
        p.start()

运行结果如下：

可以发现，由并发改为串行，虽然降低了效率，但是保证了数据安全不错乱。

三、模拟抢票练习

购买火车票的场景比较典型。多个用户可以同时查到的实时余票信息，但购买火车票时是有先后顺序的。下面用文件db.txt当数据库，用多个进程模拟多个人执行抢票任务。

db.txt

{"count":1}

模拟当前仅剩一张余票，多个用户同时看到，但只能有一个人抢到

模拟抢票.py

from multiprocessing import Process,Lock
import time,json


def search(name):
    time.sleep(1)  #模拟网络延迟
    dic = json.load(open("db.txt","r",encoding="utf-8"))

    print("<%s> 查看剩余票数[%s]" % (name, dic["count"]))


def get(name):
    time.sleep(1)  #模拟网络延迟
    dic = json.load(open("db.txt", "r", encoding="utf-8"))
    if dic["count"] > 0:
        time.sleep(3)  #模拟购票等耗时
        dic["count"] -= 1
        json.dump(dic,open("db.txt","w",encoding="utf-8"))
        print("<%s>购票成功" % name)


def task(name,mutex):
    search(name)
    with mutex:   #相当于mutex.acquire,执行完自代码块自动执行mutex.release()
        get(name)


if __name__ == "__main__":
    mutex = Lock()
    for i in range(10):
        name = "路人%s" % i
        p = Process(target=task,args=(name,mutex))
        p.start()

运行结果如下：
<路人4> 查看剩余票数[1]
<路人7> 查看剩余票数[1]
<路人0> 查看剩余票数[1]
<路人6> 查看剩余票数[1]
<路人2> 查看剩余票数[1]
<路人9> 查看剩余票数[1]
<路人1> 查看剩余票数[1]
<路人3> 查看剩余票数[1]
<路人8> 查看剩余票数[1]
<路人5> 查看剩余票数[1]
<路人4>购票成功

加锁处理，购票行为由并发变成串行，保证了数据安全。

四、互斥锁和join

使用join可以将并发变成串行，互斥锁的原理也是将并发变成串行，那我们直接使用join就可以了啊，为何还要互斥锁？

使用join将并发改成穿行，确实能保证数据安全，但问题是连查票操作也变成只能一个一个人去查了，很明显大家查票时应该是并发地去查询而无需考虑数据准确与否，

此时join与互斥锁的区别就显而易见了，join是将一个任务整体串行，而互斥锁的好处则是可以将一个任务中的某一段代码串行，比如只让task函数中的get任务串行

五、总结

加锁可以保证多个进程修改同一块数据时，同一时间只能有一个任务可以进行修改，即串行地修改，没错，速度是慢了，但牺牲了速度却保证了数据安全。

虽然可以用文件共享数据实现进程间通信，但问题是：

1. 效率低（共享数据基于文件，而文件是硬盘上的数据）
2. 需要自己加锁处理

因此我们最好找寻一种解决方案能够兼顾：

1. 效率高（多个进程共享一块内存的数据）
2. 帮我们处理好锁问题。

这就是mutiprocessing模块为我们提供的基于消息的IPC通信机制：队列和管道。

队列和管道都是将数据存放于内存中，而队列又是基于（管道+锁）实现的，可以让我们从复杂的锁问题中解脱出来，因而队列才是进程间通信的最佳选择。