首發(fā)于微信公眾號(hào)：Python編程時(shí)光
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在并發(fā)編程時(shí)贼邓，如果多個(gè)線(xiàn)程訪問(wèn)同一資源，我們需要保證訪問(wèn)的時(shí)候不會(huì)產(chǎn)生沖突歹篓，數(shù)據(jù)修改不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤萎战，這就是我們常說(shuō)的 線(xiàn)程安全 咐容。
那什么情況下，訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)是安全的蚂维？什么情況下戳粒，訪問(wèn)數(shù)據(jù)是不安全的？如何知道你的代碼是否線(xiàn)程安全虫啥？要如何訪問(wèn)數(shù)據(jù)才能保證數(shù)據(jù)的安全蔚约？
本篇文章會(huì)一一回答你的問(wèn)題。
1. 線(xiàn)程不安全是怎樣的涂籽？
要搞清楚什么是線(xiàn)程安全苹祟，就要先了解線(xiàn)程不安全是什么樣的。
比如下面這段代碼评雌，開(kāi)啟兩個(gè)線(xiàn)程树枫，對(duì)全局變量 number 各自增 10萬(wàn)次，每次自增 1景东。
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)
正常我們的預(yù)期輸出結(jié)果砂轻，一個(gè)線(xiàn)程自增100萬(wàn)，兩個(gè)線(xiàn)程就自增 200 萬(wàn)嘛斤吐，輸出肯定為 2000000 搔涝。
可事實(shí)卻并不是你想的那樣，不管你運(yùn)行多少次和措，每次輸出的結(jié)果都會(huì)不一樣庄呈，而這些輸出結(jié)果都有一個(gè)特點(diǎn)是，都小于 200 萬(wàn)派阱。
以下是執(zhí)行三次的結(jié)果
1459782
1379891
1432921
這種現(xiàn)象就是線(xiàn)程不安全诬留，究其根因，其實(shí)是我們的操作 number += 1 贫母，不是原子操作故响，才會(huì)導(dǎo)致的線(xiàn)程不安全。
2. 什么是原子操作颁独？
原子操作（atomic operation）彩届，指不會(huì)被線(xiàn)程調(diào)度機(jī)制打斷的操作，這種操作一旦開(kāi)始誓酒，就一直運(yùn)行到結(jié)束樟蠕，中間不會(huì)切換到其他線(xiàn)程贮聂。
它有點(diǎn)類(lèi)似數(shù)據(jù)庫(kù)中的 事務(wù)。
在 Python 的官方文檔上寨辩，列出了一些常見(jiàn)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()
而下面這些就不是原子操作
i = i+1
L.append(L[-1])
L[i] = L[j]
D[x] = D[x] + 1
像上面的我使用自增操作 number += 1吓懈，其實(shí)等價(jià)于 number = number + 1，可以看到這種可以拆分成多個(gè)步驟（先讀取相加再賦值）靡狞，并不屬于原子操作耻警。
這樣就導(dǎo)致多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)讀取時(shí)，有可能讀取到同一個(gè) number 值甸怕，讀取兩次甘穿，卻只加了一次，最終導(dǎo)致自增的次數(shù)小于預(yù)期梢杭。
當(dāng)我們還是無(wú)法確定我們的代碼是否具有原子性的時(shí)候温兼，可以嘗試通過(guò) dis 模塊里的 dis 函數(shù)來(lái)查看
當(dāng)我們執(zhí)行這段代碼時(shí)，可以看到 number += 1 這一行代碼武契，由兩條字節(jié)碼實(shí)現(xiàn)募判。
-
BINARY_ADD：將兩個(gè)值相加 -
STORE_GLOBAL： 將相加后的值重新賦值
每一條字節(jié)碼指令都是一個(gè)整體，無(wú)法分割咒唆，他實(shí)現(xiàn)的效果也就是我們所說(shuō)的原子操作届垫。
當(dāng)一行代碼被分成多條字節(jié)碼指令的時(shí)候，就代表在線(xiàn)程線(xiàn)程切換時(shí)全释，有可能只執(zhí)行了一條字節(jié)碼指令装处，此時(shí)若這行代碼里有被多個(gè)線(xiàn)程共享的變量或資源時(shí)，并且拆分的多條指令里有對(duì)于這個(gè)共享變量的寫(xiě)操作恨溜，就會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)的沖突，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確找前。
為了對(duì)比糟袁，我們從上面列表的原子操作拿一個(gè)出來(lái)也來(lái)試試，是不是真如官網(wǎng)所說(shuō)的原子操作躺盛。
這里我拿字典的 update 操作舉例项戴，代碼和執(zhí)行過(guò)程如下圖
從截圖里可以看到，info.update(new) 雖然也分為好幾個(gè)操作
-
LOAD_GLOBAL：加載全局變量 -
LOAD_ATTR： 加載屬性槽惫，獲取 update 方法 -
LOAD_FAST：加載 new 變量 -
CALL_FUNCTION：調(diào)用函數(shù) -
POP_TOP：執(zhí)行更新操作
但我們要知道真正會(huì)引導(dǎo)數(shù)據(jù)沖突的周叮，其實(shí)不是讀操作，而是寫(xiě)操作界斜。
上面這么多字節(jié)碼指令仿耽，寫(xiě)操作都只有一個(gè)（POP_TOP），因此字典的 update 方法是原子操作各薇。
3. 實(shí)現(xiàn)人工原子操作
在多線(xiàn)程下项贺，我們并不能保證我們的代碼都具有原子性君躺，因此如何讓我們的代碼變得具有 “原子性” ，就是一件很重要的事开缎。
方法也很簡(jiǎn)單棕叫，就是當(dāng)你在訪問(wèn)一個(gè)多線(xiàn)程間共享的資源時(shí)，加鎖可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似原子操作的效果奕删，一個(gè)代碼要嘛不執(zhí)行俺泣，執(zhí)行了的話(huà)就要執(zhí)行完畢，才能接受線(xiàn)程的調(diào)度完残。
因此伏钠，我們使用加鎖的方法，對(duì)例子一進(jìn)行一些修改坏怪，使其具備原子性贝润。
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)
此時(shí)，不管你執(zhí)行多少遍铝宵，輸出都是 2000000.
4. 為什么 Queue 是線(xiàn)程安全的打掘？
Python 的 threading 模塊里的消息通信機(jī)制主要有如下三種：
- Event
- Condition
- Queue
使用最多的是 Queue，而我們都知道它是線(xiàn)程安全的鹏秋。當(dāng)我們對(duì)它進(jìn)行寫(xiě)入和提取的操作不會(huì)被中斷而導(dǎo)致錯(cuò)誤尊蚁，這也是我們?cè)谑褂藐?duì)列時(shí)，不需要額外加鎖的原因侣夷。
他是如何做到的呢横朋？
其根本原因就是 Queue 實(shí)現(xiàn)了鎖原語(yǔ)，因此他能像第三節(jié)那樣實(shí)現(xiàn)人工原子操作百拓。
原語(yǔ)指由若干個(gè)機(jī)器指令構(gòu)成的完成某種特定功能的一段程序琴锭，具有不可分割性；即原語(yǔ)的執(zhí)行必須是連續(xù)的衙传，在執(zhí)行過(guò)程中不允許被中斷决帖。
