Python的互斥锁与信号量详解

Python的互斥锁与信号量详解

在多线程编程中，我们经常会遇到多个线程同时访问共享资源的情况。这时需要使用同步机制，保证同一时间只有一个线程可以访问共享资源，从而避免产生不一致的结果。Python提供了两种常见的同步机制：互斥锁和信号量。

1. 互斥锁

互斥锁是一种同步机制，用于协调多个线程对共享资源的访问。在任何时刻只允许一个线程执行被保护的代码块，以避免出现竞态条件，从而确保共享资源的正确访问。

Python中提供了Thread模块，用于创建线程，并提供了Lock对象作为互斥锁。Lock对象有两种状态：locked（锁定）和unlocked（未锁定）。

当线程想要执行被保护的代码块时，首先需要调用Lock对象的acquire()方法，请求获取锁；当线程执行完被保护的代码块后，需要调用Lock对象的release()方法，释放锁，以便其他线程可以获取锁并执行相应的代码块。

下面是一个简单的示例，演示如何使用Lock对象实现同步机制：

import threading

# 定义共享资源counter
counter = 0

# 创建Lock对象
lock = threading.Lock()

def worker():
    global counter
    for i in range(100000):
        # 获取锁
        lock.acquire()
        try:
            # 修改共享资源
            counter += 1
        finally:
            # 释放锁
            lock.release()

if __name__ == '__main__':
    # 创建10个线程
    threads = []
    for i in range(10):
        t = threading.Thread(target=worker)
        threads.append(t)

    # 启动线程
    for t in threads:
        t.start()

    # 等待线程结束
    for t in threads:
        t.join()

    print('counter =', counter)

在这个示例中，我们创建了10个线程，每个线程都会对共享资源counter进行100000次修改操作。由于存在多个线程对counter进行修改的情况，我们使用了Lock对象进行同步控制，确保任何时候只有一个线程可以修改counter的值。

2. 信号量

信号量也是一种常见的同步机制，用于协调多个线程对共享资源的访问。与互斥锁不同的是，信号量允许同时有多个线程访问共享资源，但是需要限制同时访问资源的线程数，以避免资源竞争。

Python中提供了Semaphore对象作为信号量，Semaphore对象有一个计数器，表示还有多少个线程可以访问共享资源。每当一个线程访问共享资源，计数器就会减1；当线程结束访问时，计数器就会加1。当计数器为0时，其他线程需要等待，直到有线程释放资源。

下面是一个示例，演示如何使用Semaphore对象实现同时访问一定数量的共享资源：

import threading

# 定义共享资源counter
counter = 0

# 创建Semaphore对象
semaphore = threading.Semaphore(3)

def worker():
    global counter
    # 获取信号量
    with semaphore:
        for i in range(100000):
            # 修改共享资源
            counter += 1

if __name__ == '__main__':
    # 创建10个线程
    threads = []
    for i in range(10):
        t = threading.Thread(target=worker)
        threads.append(t)

    # 启动线程
    for t in threads:
        t.start()

    # 等待线程结束
    for t in threads:
        t.join()

    print('counter =', counter)

在这个示例中，我们创建了10个线程，每个线程都会对共享资源counter进行100000次修改操作。由于我们创建了一个Semaphore对象，并将初始计数器设置为3，因此最多只能同时有3个线程访问共享资源，其他线程需要等待。这样可以限制同时访问共享资源的线程数，避免资源竞争和无限制的等待。

以上就是Python互斥锁与信号量的详细讲解和示例说明。在实际应用中，我们需要根据实际情况选择合适的同步机制，以确保共享资源的正确访问。