说说 Python 里关于线程安全的那些事儿

2023-02-27

线程操作原子

 在并发编程时，如果多个线程访问同一资源，我们需要保证访问的时候不会产生冲突，数据修改不会发生错误，这就是我们常说的线程安全。那什么情况下，访问数据时是安全的?什么情况下，访问数据是不安全的?如何知道你的代码是否线程安全?要如何访问数据才能保证数据的安全?本篇文章会一一回答你的问题。1.线

在并发编程时，如果多个线程访问同一资源，我们需要保证访问的时候不会产生冲突，数据修改不会发生错误，这就是我们常说的线程安全。

那什么情况下，访问数据时是安全的?什么情况下，访问数据是不安全的?如何知道你的代码是否线程安全?要如何访问数据才能保证数据的安全?

本篇文章会一一回答你的问题。

1. 线程不安全是怎样的?

要搞清楚什么是线程安全，就要先了解线程不安全是什么样的。

比如下面这段代码，开启两个线程，对全局变量 number 各自增 10万次，每次增量 1。

from threading import Thread, Lock 
 
number = 0 
 
def target(): 
    global number 
    for _ in range(1000000): 
        number += 1 
 
thread_01 = Thread(target=target) 
thread_02 = Thread(target=target) 
thread_01.start() 
thread_02.start() 
 
thread_01.join() 
thread_02.join() 
 
print(number) 
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正常我们的预期输出结果，一个线程自增100万，两个线程就自增 200 万嘛，输出肯定为 2000000 。

可事实却并不是你想的那样，不管你运行多少次，每次输出的结果都会不一样，而这些输出结果都有一个特点是，都小于 200 万。

以下是执行三次的结果

这种现象就是线程不安全，究其根因，其实是我们的操作 number += 1 ，不是原子操作，才会导致的线程不安全。

2. 什么是原子操作?

原子操作(atomic operation)，指不会被线程调度机制打断的操作，这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会切换到其他线程。

它有点类似数据库中的事务。

在 Python 的官方文档上，列出了一些常见原子操作

L.append(x) 
L1.extend(L2) 
x = L[i] 
x = L.pop() 
L1[i:j] = L2 
L.sort() 
x = y 
x.field = y 
D[x] = y 
D1.update(D2) 
D.keys() 
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而下面这些就不是原子操作

i = i+1 
L.append(L[-1]) 
L[i] = L[j] 
D[x] = D[x] + 1 
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像上面的我使用自增操作 number += 1，其实等价于 number = number + 1，可以看到这种可以拆分成多个步骤(先读取相加再赋值)，并不属于原子操作。

这样就导致多个线程同时读取时，有可能读取到同一个 number 值，读取两次，却只加了一次，最终导致自增的次数小于预期。

当我们还是无法确定我们的代码是否具有原子性的时候，可以尝试通过 dis 模块里的 dis 函数来查看

当我们执行这段代码时，可以看到 number += 1 这一行代码，由两条字节码实现。

BINARY_ADD ：将两个值相加
STORE_GLOBAL：将相加后的值重新赋值

每一条字节码指令都是一个整体，无法分割，他实现的效果也就是我们所说的原子操作。

当一行代码被分成多条字节码指令的时候，就代表在线程线程切换时，有可能只执行了一条字节码指令，此时若这行代码里有被多个线程共享的变量或资源时，并且拆分的多条指令里有对于这个共享变量的写操作，就会发生数据的冲突，导致数据的不准确。

为了对比，我们从上面列表的原子操作拿一个出来也来试试，是不是真如官网所说的原子操作。

这里我拿字典的 update 操作举例，代码和执行过程如下图

从截图里可以看到，info.update(new) 虽然也分为好几个操作

LOAD_GLOBAL：加载全局变量
LOAD_ATTR：加载属性，获取 update 方法
LOAD_FAST：加载 new 变量
CALL_FUNCTION：调用函数
POP_TOP：执行更新操作

但我们要知道真正会引导数据冲突的，其实不是读操作，而是写操作。

上面这么多字节码指令，写操作都只有一个(POP_TOP)，因此字典的 update 方法是原子操作。

3. 实现人工原子操作

在多线程下，我们并不能保证我们的代码都具有原子性，因此如何让我们的代码变得具有 “原子性” ，就是一件很重要的事。

方法也很简单，就是当你在访问一个多线程间共享的资源时，加锁可以实现类似原子操作的效果，一个代码要嘛不执行，执行了的话就要执行完毕，才能接受线程的调度。

因此，我们使用加锁的方法，对例子一进行一些修改，使其具备“原子性”。

from threading import Thread, Lock 
 
 
number = 0 
lock = Lock() 
 
 
def target(): 
    global number 
    for _ in range(1000000): 
        with lock: 
            number += 1 
 
thread_01 = Thread(target=target) 
thread_02 = Thread(target=target) 
thread_01.start() 
thread_02.start() 
 
thread_01.join() 
thread_02.join() 
 
print(number) 
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