Python Thread虚假唤醒概念与防范详解

Python Thread虚假唤醒概念与防范详解攻略

概念介绍

Python 中的多线程编程是常见的并发编程方式，但是在使用线程时，可能会遇到一个比较棘手的问题，就是虚假唤醒（Spurious Wakeup）。所谓虚假唤醒，指的是在多线程编程中，线程因为任何原因（如操作系统调度等）从阻塞状态（waiting）被唤醒，但是实际上并没有收到期望的信号或条件满足的通知，从而引起程序逻辑错误。

虚假唤醒的原因

虚假唤醒会发生在等待线程在等待某个条件变量的时候，而当对该条件变量使用单独的 notify() 调用时，唤醒的线程很可能会在等待信号状态没有真正改变的情况下被唤醒，这被称为虚假唤醒。

常见的虚假唤醒有以下两种情况：

1. 当有多个线程在等待相同条件变量时，调用 notify() 会将某个线程唤醒，但不能确保唤醒的是正确的线程。
2. 当条件变量即使没有满足时，阻塞等待的线程被唤醒，也可能是引起虚假唤醒的原因。

如何防止虚假唤醒

虚假唤醒的出现会带来以下几种问题：

1. 资源浪费：由于虚假唤醒带来了不必要的唤醒操作，因此会造成线程资源的浪费。
2. 程序逻辑错误：虚假唤醒会使得程序逻辑产生错误。

为了避免虚假唤醒，可以使用以下几种方式：

1. 在使用等待时，使用 while 循环判断条件是否符合，而不是使用 if 条件判断等待是否结束，这样即使存在虚假唤醒，也会进行条件判断，而不会出现逻辑错误。
2. 使用 wait() 方法 wait 会自动释放线程占有的锁，在唤醒线程之后再次获取，而 notify() 不会释放锁，因此在线程完成工作后，应该及时使用 release() 释放锁。

import threading


class MyThread(threading.Thread):

    def __init__(self):
        threading.Thread.__init__(self)

    def run(self):
        global count
        while True:
            if count < 10:
                count += 1
                print('{} produces a good, now count is {}'.format(threading.current_thread().name, count))
            else:
                print('{} produces enough goods'.format(threading.current_thread().name))
                cv.acquire()
                cv.notify()
                cv.release()
                break


class Consumer(threading.Thread):

    def __init__(self):
        threading.Thread.__init__(self)

    def run(self):
        global count
        while True:
            if count >= 10:
                print('{} consumes a good, now count is {}'.format(threading.current_thread().name, count))
                count -= 1
            else:
                cv.acquire()
                cv.wait()
                cv.release()
                if count < 1:
                    continue

以上是使用 wait() 和 notify() 来实现生产者和消费者模式的示例代码，其中 wait() 方法会自动释放线程占有的锁，在唤醒线程之后再次获取，而 notify() 不会释放锁，因此在线程完成工作后，应该及时使用 release() 释放锁。

可以看到，在 Consumer 中，线程会处于 wait 状态，直到被唤醒并获取到锁，从而继续消费产品，而在 MyThread 中，当产品数量达到一定数量时，会唤醒处于 wait 状态的线程，从而实现了消费者和生产者之间的协作。

import threading


class Barrier:
    def __init__(self, n):
        self.n = n
        self.count = 0
        self.cv = threading.Condition()

    def wait(self):
        self.cv.acquire()
        self.count += 1
        if self.count == self.n:
            self.cv.notify_all()
        else:
            self.cv.wait()
        self.cv.release()

barrier = Barrier(3)

def worker():
    global barrier
    print(threading.current_thread().name, "wate before barrier")
    barrier.wait()
    print(threading.current_thread().name, "passed barrier")

for i in range(3):
    t = threading.Thread(target=worker)
    t.start()

以上是使用 wait() 和 notify() 来实现一个 Barrier 的示例代码，其中定义了一个 Barrier 类，其 wait 方法将会把后续的行为阻塞，直到 n 个线程全部调用 wait 方法，然后唤醒所有阻塞的线程，从而通过协作达到同步的效果。

总结

Python 的线程编程需要格外注意虚假唤醒的问题，通过使用 while 循环和 wait() 和 notify() 等方法来防范虚假唤醒，可以保证程序的正确性和效率。实际编程时，需要根据具体的场合选用不同的手段，从而实现良好的多线程编程。