python线程同步（2）
Barrier
有人翻译成栅栏，建议使用屏障，可以想象成路障，道闸。
3.2引入python的新功能。
Barrier(parties,action = None,timeout = None):构建Barrier对象，指定参与方数目，timeout是wait方法未指定超时的默认值。
n_waiting:当前在屏障中等待的线程数。
parties：各方数，就是需要多少个等待。
wait（timeout = None）：等待通过屏障，返回0到线程数减1的整数，每个线程返回不同。如果wait方法设置了超时，并超时发送，屏障将处于broken状态。
Barrier实例
import threading import logging import random FORMAT = "%(asctime)-15s\t [ %(threadName)s,(thread)8d] %(message)s" logging.basicConfig(format=FORMAT, level=logging.INFO) def worker(barrier:threading.Barrier): logging.info("waiting for {} threads.".format(barrier.n_waiting)) try: barrier_id = barrier.wait() logging.info("after barrier {}".format(barrier_id)) except threading.BrokenBarrierError: logging.info("broken Barrier") barrier = threading.Barrier(3)#3是参与方，parties for x in range(3):#改成4,5,6试一试 threading.Thread(target=worker,name="worker-{}".format(x),args=(barrier,)).start() logging.info("started") 结果为： 2019-11-26 17:06:48,333 [ worker-0,(thread)8d] waiting for 0 threads. 2019-11-26 17:06:48,333 [ worker-1,(thread)8d] waiting for 1 threads. 2019-11-26 17:06:48,334 [ worker-2,(thread)8d] waiting for 2 threads. 2019-11-26 17:06:48,334 [ worker-2,(thread)8d] after barrier 2 2019-11-26 17:06:48,334 [ MainThread,(thread)8d] started 2019-11-26 17:06:48,334 [ worker-1,(thread)8d] after barrier 1 2019-11-26 17:06:48,334 [ worker-0,(thread)8d] after barrier 0
当换成4,5的时候，上面的结果一样，但是程序还没有执行完，一直在等待。当为6的时候，三个一波刚好结束。
从运行结果来看：
所有线程冲到了Barrier前等待，直到到达parties的数目，屏障打开，所有线程停止等待，继续执行。
再有线程wait，屏障就绪等到到达参数方数目。
举例，赛马比赛所有马匹就位，开闸，下一批马匹陆续来到闸门前等待比赛。
broken：如果屏障处于打破的状态，返回True。
abort()：将屏障置于broken状态，等待中的线程或者调用等待方法的线程中都会抛出BrokenBarrierError异常，直到reset方法来恢复屏障。
reset():恢复屏障，重新开始拦截。
import threading import logging import random FORMAT = "%(asctime)-15s\t [ %(threadName)s,(thread)8d] %(message)s" logging.basicConfig(format=FORMAT, level=logging.INFO) def worker(barrier: threading.Barrier): logging.info("waiting for {} threads.".format(barrier.n_waiting)) try: barrier_id = barrier.wait() logging.info("after barrier {}".format(barrier_id)) except threading.BrokenBarrierError: logging.info("broken Barrier .run.") barrier = threading.Barrier(3) for x in range(0,9): if x ==2: barrier.abort() elif x==6: barrier.reset() threading.Event().wait(1) threading.Thread(target=worker, name="worker-{}".format(x), args=(barrier,)).start() logging.info("started") 结果为： 2019-11-26 17:21:41,398 [ worker-0,(thread)8d] waiting for 0 threads. 2019-11-26 17:21:42,410 [ worker-1,(thread)8d] waiting for 1 threads. 2019-11-26 17:21:42,411 [ worker-1,(thread)8d] broken Barrier .run. 2019-11-26 17:21:42,411 [ worker-0,(thread)8d] broken Barrier .run. 2019-11-26 17:21:43,423 [ worker-2,(thread)8d] waiting for 0 threads. 2019-11-26 17:21:43,424 [ worker-2,(thread)8d] broken Barrier .run. 2019-11-26 17:21:44,439 [ worker-3,(thread)8d] waiting for 0 threads. 2019-11-26 17:21:44,439 [ worker-3,(thread)8d] broken Barrier .run. 2019-11-26 17:21:45,453 [ worker-4,(thread)8d] waiting for 0 threads. 2019-11-26 17:21:45,453 [ worker-4,(thread)8d] broken Barrier .run. 2019-11-26 17:21:46,465 [ worker-5,(thread)8d] waiting for 0 threads. 2019-11-26 17:21:46,466 [ worker-5,(thread)8d] broken Barrier .run. 2019-11-26 17:21:47,481 [ worker-6,(thread)8d] waiting for 0 threads. 2019-11-26 17:21:48,495 [ worker-7,(thread)8d] waiting for 1 threads. 2019-11-26 17:21:49,509 [ worker-8,(thread)8d] waiting for 2 threads. 2019-11-26 17:21:49,509 [ worker-8,(thread)8d] after barrier 2 2019-11-26 17:21:49,509 [ worker-6,(thread)8d] after barrier 0 2019-11-26 17:21:49,510 [ Main Thread,(thread)8d] started 2019-11-26 17:21:49,510 [ worker-7,(thread)8d] after barrier 1
上例中，屏障中等待了2个，屏障就被break了，waiting的线程抛了BrokenBarrierError异常，新wait的线程也抛异常，直到屏障恢复，才继续按照parties数目要求继续拦截线程。
wait方法超时实例
如果wait方法超时发生，屏障将处于broken状态，直到reset。
import threading import logging import random FORMAT = "%(asctime)-15s\t [ %(threadName)s,(thread)8d] %(message)s" logging.basicConfig(format=FORMAT, level=logging.INFO) def worker(barrier: threading.Barrier,i:int): logging.info("waiting for {} threads.".format(barrier.n_waiting)) try: logging.info(barrier.broken)#是否brokrn if i<3: barrier_id = barrier.wait(1)#超时后，屏障broken else: if i==6: barrier.reset()#恢复屏障 barrier_id = barrier.wait() logging.info("after barrier {}".format(barrier_id)) except threading.BrokenBarrierError: logging.info("broken Barrier .run.") barrier = threading.Barrier(3) for x in range(0,9): threading.Event().wait(2) threading.Thread(target=worker, name="worker-{}".format(x), args=(barrier,x)).start() 结果为： 2019-11-26 17:30:06,811 [ worker-0,(thread)8d] waiting for 0 threads. 2019-11-26 17:30:06,811 [ worker-0,(thread)8d] False 2019-11-26 17:30:07,822 [ worker-0,(thread)8d] broken Barrier .run. 2019-11-26 17:30:08,822 [ worker-1,(thread)8d] waiting for 0 threads. 2019-11-26 17:30:08,822 [ worker-1,(thread)8d] True 2019-11-26 17:30:08,823 [ worker-1,(thread)8d] broken Barrier .run. 2019-11-26 17:30:10,835 [ worker-2,(thread)8d] waiting for 0 threads. 2019-11-26 17:30:10,835 [ worker-2,(thread)8d] True 2019-11-26 17:30:10,835 [ worker-2,(thread)8d] broken Barrier .run. 2019-11-26 17:30:12,849 [ worker-3,(thread)8d] waiting for 0 threads. 2019-11-26 17:30:12,849 [ worker-3,(thread)8d] True 2019-11-26 17:30:12,849 [ worker-3,(thread)8d] broken Barrier .run. 2019-11-26 17:30:14,859 [ worker-4,(thread)8d] waiting for 0 threads. 2019-11-26 17:30:14,859 [ worker-4,(thread)8d] True 2019-11-26 17:30:14,859 [ worker-4,(thread)8d] broken Barrier .run. 2019-11-26 17:30:16,870 [ worker-5,(thread)8d] waiting for 0 threads. 2019-11-26 17:30:16,870 [ worker-5,(thread)8d] True 2019-11-26 17:30:16,871 [ worker-5,(thread)8d] broken Barrier .run. 2019-11-26 17:30:18,885 [ worker-6,(thread)8d] waiting for 0 threads. 2019-11-26 17:30:18,885 [ worker-6,(thread)8d] True 2019-11-26 17:30:20,895 [ worker-7,(thread)8d] waiting for 1 threads. 2019-11-26 17:30:20,895 [ worker-7,(thread)8d] False 2019-11-26 17:30:22,909 [ worker-8,(thread)8d] waiting for 2 threads. 2019-11-26 17:30:22,909 [ worker-8,(thread)8d] False 2019-11-26 17:30:22,909 [ worker-8,(thread)8d] after barrier 2 2019-11-26 17:30:22,910 [ worker-7,(thread)8d] after barrier 1 2019-11-26 17:30:22,911 [ worker-6,(thread)8d] after barrier 0
Barrier应用
并发初始化
所有线程必须初始化完成后，才能继续工作，例如运行前加载数据、检查，如果这些工作没完成，就开始运行，将不能正常工作。
10个线程做10种工作准备，每个线程负责一种工作，只有这10个线程都完成后，才能继续工作。先完成的要等待后完成的线程。
例如，启动一个程序，需要先加载磁盘文件，缓存预热，初始化连接池等工作，这些工作可以启动并进，不过只有都满足了，程序才能继续向后执行，假设数据库连接失败，则初始化工作失败，就要abort，barrier置为broken，所有线程收到异常退出。
工作量
有10个计算任务，完成6个，就算工作完成。
semaphore信号量
和lock很像， 信号量对象内部维护一个倒计数器，每一次acquire都会减1，当acquire方法发现计算为0就阻塞请求的线程，直到其他线程对信号量release后，计数大于0，恢复阻塞的线程。
Semaphore(value = 1):构造方法，value小于0，抛valueerror异常。
acquire（blocking= TRUE,timeout = None）:获取信号量，计数器减1，获取成功返回True.
release()：释放信号量，计数器加1.
计数器永远不会低于0，因为acquire的时候，发现是0，都会被阻塞。
import threading import logging import time FORMAT = "%(asctime)-15s\t [ %(threadName)s,(thread)8d] %(message)s" logging.basicConfig(format=FORMAT, level=logging.INFO) def worker(s:threading.Semaphore): logging.info("in sub thread") logging.info(s.acquire())#阻塞 logging.info("sub thread over") #信号量 s = threading.Semaphore(3) logging.info(s.acquire()) print(s._value) logging.info(s.acquire()) print(s._value) logging.info(s.acquire()) print(s._value) threading.Thread(target=worker,args=(s,)).start() time.sleep(2) logging.info(s.acquire(False)) logging.info(s.acquire(timeout = 3))#阻塞3秒 #释放 logging.info("released") s.release() 结果为： 2019-11-26 17:45:49,188 [ MainThread,(thread)8d] True 2 2019-11-26 17:45:49,188 [ MainThread,(thread)8d] True 2019-11-26 17:45:49,188 [ MainThread,(thread)8d] True 2019-11-26 17:45:49,188 [ Thread-1,(thread)8d] in sub thread 1 0 2019-11-26 17:45:51,188 [ MainThread,(thread)8d] False 2019-11-26 17:45:54,189 [ MainThread,(thread)8d] False 2019-11-26 17:45:54,189 [ MainThread,(thread)8d] released 2019-11-26 17:45:54,190 [ Thread-1,(thread)8d] True 2019-11-26 17:45:54,190 [ Thread-1,(thread)8d] sub thread over
应用举例
连接池
因为资源有限，且开启一个连接成本高，所以，使用连接池。
一个简单的连接池
连接池应该有容量（总数），有一个工厂方法可以获取连接，能够把不用的连接返回，供其他调用者使用。
class Conn: def __init__(self,name): self.name = name class Pool: def __init__(self,count:int): self.count = count #池中是连接对象的列表 self.pool = [self._count("conn-{}".format(x)) for x in range(self.count)] def _connect(self,conn_name): #创建连接的方法，返回一个名称 return Conn(conn_name) def get_conn(self): #从池中拿走一个连接 if len(self.pool)>0: return self.pool.pop() def return_conn(self,conn:Conn): #向池中添加一个连接 self.pool.append(conn)
真正的连接池的实现比上面的例子要复杂得多，这里只是一个简单的功能的实现。
本例中，get_conn(0方法在多线程的时候有线程安全问题。
假设池中正好有一个连接，有可能多个线程判断池的长度是大于0的，当一个线程拿走了连接对象，其他线程再来pop就会抛异常的，如何解决？
- 加锁，在读写的地方加锁
- 使用信号量Semaphore
使用信号量对上例进行修改
import threading import logging import random FORMAT = "%(asctime)s %(thread)d %(threadName)s %(message)s" logging.basicConfig(level = logging.INFO,format = FORMAT) class Conn: def __init__(self,name): self.name = name def __repr__(self): return self.name class Pool: def __init__(self,count:int): self.count = count #池中是连接对象的列表 self.pool = [self._count("conn-{}".format(x)) for x in range(self.count)] self.semaphore = threading.Semaphore(count)#threading.Semaphore() def _connect(self,conn_name): #创建连接的方法，返回一个名称 return Conn(conn_name) def get_conn(self): #从池中拿走一个连接 print("-----------------") self.semaphore.acquire() print("=====================") conn = self.pool.pop() return conn def return_conn(self,conn:Conn): #向池中添加一个连接 self.pool.append(conn) self.semaphore.release() #连接池初始化 pool = Pool(3) def worker(pool:Pool): conn = pool.get_conn() logging.info(conn) #模拟使用了一段时间 threading.Event().wait(random.randint(1,4)) pool.return_conn(conn) for i in range(6): threading.THREAD(target = worker,name = "worker - {}".format(i),args = (pool,)).start()
上例中，使用信号量解决资源有限的问题。
如果池中有资源，请求者获取资源时信号量减1，拿走资源，当请求超过资源数，请求者只能等待。当使用者用完归还资源后信号量加1，等待线程就可以被唤醒拿走资源。
注意：这个例子不能用到生产环境，只是为了说明信号量使用的例子，还有很多未完成功能。
问题
self.conn.append(conn)这一句要不要加锁
1 从程序逻辑上分析
1.1 假设如果还没有使用信号量，就release，会怎么样？
import logging import threading sema = threading.Semaphore(3) logging.warning(sema.__dict__) for i in range(3): sema.acquire() logging.warning("```````````````````") logging.warning(sema.__dict__) for i in range(4): sema.release() logging.warning(sema.__dict__) for i in range(3): sema.acquire() logging.warn("~~~~~~~~~~~~~~") logging.warning(sema.__dict__) sema.acquire() logging.warning("~~~~~~~~~~~~~~~~~") logging.warning(sema.__dict__)
从上例输出结果可以看出，竟然内置计数器达到了4，这样实际上超出我们的最大值，需要解决这个问题。
BoundedSemaphore类
有界的信号量，不允许使用release超过初始值的范围，否则，抛出valueerror异常。
这样用有界信号量修改源代码，保证如果多return_conn就会抛一长保证了多归还连接抛出异常。如果归还了同一个连接多次怎么办？去重很容易判断出来。
1.2如果使用了信号量，但是还没有用完
self.pool.append(conn)
self.semaphore.release()
假设一种极端情况，计数器还差1就满了，有三个线程A,B,C都执行了第一句，都没有来得及release，这时候轮到线程A release，正常的release，然后轮到线程C先release，一定出问题，超界了，直接抛异常。
因此信号量，可以保证，一定不能多归还。
1.3很多线程用完了信号量
没有获得信号量的线程都阻塞，没有线程和归还的线程争抢，当append后才release，这时候才能等待的线程被唤醒，才能pop，也就是没有获取信号量就不能pop，这是安全的。
经过上面的分析，信号量比计算列表长度好，线程安全。
信号量和锁
锁，只允许同一个时间一个线程独占资源，它是特殊的信号量，即信号量计数器初值为1。信号量，可以多个线程访问共享资源，但这个共享资源数量有限。
锁，可以看做特殊的信号量。
数据结构和GIL
Queue（线程安全的类）
标准库queue模块，提供FIFO的Queue、LIFO的队列，优先队列。
Queue类是线程安全的，适用于多个线程间安全的交换数据，内部使用了Lock和Condition.
为什么讲魔术方法时，说实现容器的大小，不准确?
如果不加锁，是不可能获得准确大小的，因为你刚读取到了一个大小，还没有取走，就有可能被其他线程给改了。
Queue类的size虽然加了锁，但是，依然不能保证立即get，put就能成功，因为读取大小和get.put方法是分开的。
import queue q = queue.Queue(8) if q.qsize() ==7: q.put()#上下两句可能被打断 if q.qsize() ==1: q.get()#未必会成功
GIL全局解释器锁
CPython在解释器进程界别有一把锁，叫做GIL全局解释器锁。
GIL保证Cpython进程中，只有一个线程执行字节码，甚至在多核cpu的情况下，也是如此。
cpython中
io密集型，由于线程阻塞，就会调度其他线程；
cpu密集型，当前线程可能会连续的获得GIL，导致其他线程几乎无法使用cpu。
在cpython中，由于有GIL的存在，IO密集型，使用多线程，cpu密集型，使用多进程，绕开GIL.
新版cpython正在努力优化GIL的问题，但不是移除。
如果非要使用多线程的效率问题，请绕行，选择其他语言erlang、go等。
Python中绝大多数内置数据结构的读写都是原子操作，由于GIL的存在，Python的内置数据结构类型在多线程编程的时候就变成了安全的了，但是实际上它们本身不是线程安全类型的。
保留GIL的原因：
Guido坚持的简单哲学，对于初学者门槛低，不需要高深的系统知识也能安全的，简单的使用Python。而且移除GIL,会降低cpython的单线程的执行效率。
测试下面两个程序
import logging import datetime logging.basicConfing(level = logging.INFO,format = "%(thread)s %(message)s") start = datetme.datetime.now() #计算 def cale(): sum = 0 for _in range(10000000000): sum+=1 cale() cale() cale() cale() cale() delta = (datetime.datetime.now - start).total_seconds() logging.info(delta)
import logging import datetime import threading logging.basicConfing(level = logging.INFO,format = "%(thread)s %(message)s") start = datetme.datetime.now() #计算 def cale(): sum = 0 for _in range(10000000000): sum+=1 t1 = threading.Thread(target = cale) t2 = threading.Thread(target = cale) t3 = threading.Thread(target = cale) t4 = threading.Thread(target = cale) t5 = threading.Thread(target = cale) t1.start() t2.start() t3.start() t4.start() t5.start() t1.start() t2.start() t3.start() t4.start() t5.start() delta = (datetime.datetime.now - start).total_seconds() logging.info(delta)
