如何知道你的代碼是否線程安全

在并發(fā)編程時(shí)，如果多個(gè)線程訪問(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，數(shù)據(jù)修改不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，這就是我們常說(shuō)的 線程安全 。

那什么情況下，訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)是安全的？什么情況下，訪問(wèn)數(shù)據(jù)是不安全的？如何知道你的代碼是否線程安全？要如何訪問(wèn)數(shù)據(jù)才能保證數(shù)據(jù)的安全？

本篇文章會(huì)一一回答你的問(wèn)題。

1. 線程不安全是怎樣的？

要搞清楚什么是線程安全，就要先了解線程不安全是什么樣的。

比如下面這段代碼，開啟兩個(gè)線程，對(duì)全局變量 number 各自增 10萬(wàn)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)

正常我們的預(yù)期輸出結(jié)果，一個(gè)線程自增100萬(wàn)，兩個(gè)線程就自增 200 萬(wàn)嘛，輸出肯定為 2000000 。

可事實(shí)卻并不是你想的那樣，不管你運(yùn)行多少次，每次輸出的結(jié)果都會(huì)不一樣，而這些輸出結(jié)果都有一個(gè)特點(diǎn)是，都小于 200 萬(wàn)。

以下是執(zhí)行三次的結(jié)果

1459782
1379891
1432921

這種現(xiàn)象就是線程不安全，究其根因，其實(shí)是我們的操作 number += 1 ，不是原子操作，才會(huì)導(dǎo)致的線程不安全。

2. 什么是原子操作？

原子操作（ atomic operation ），指不會(huì)被線程調(diào)度機(jī)制打斷的操作，這種操作一旦開始，就一直運(yùn)行到結(jié)束，中間不會(huì)切換到其他線程。

它有點(diǎn)類似數(shù)據(jù)庫(kù)中的 事務(wù) 。

在 Python 的官方文檔上，列出了一些常見原子操作

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，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），并不屬于原子操作。

這樣就導(dǎo)致多個(gè)線程同時(shí)讀取時(shí)，有可能讀取到同一個(gè) number 值，讀取兩次，卻只加了一次，最終導(dǎo)致自增的次數(shù)小于預(yù)期。

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，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，由兩條字節(jié)碼實(shí)現(xiàn)。

• 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，他實(shí)現(xiàn)的效果也就是我們所說(shuō)的原子操作。

當(dāng)一行代碼被分成多條字節(jié)碼指令的時(shí)候，就代表在線程線程切換時(shí)，有可能只執(zhí)行了一條字節(jié)碼指令，此時(shí)若這行代碼里有被多個(gè)線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)共享變量的寫操作，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。

為了對(duì)比，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。

這里我拿字典的 update 操作舉例，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，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，其實(shí)不是讀操作，而是寫操作。

上面這么多字節(jié)碼指令，寫操作都只有一個(gè)（ POP_TOP ），因此字典的 update 方法是原子操作。

3. 實(shí)現(xiàn)人工原子操作

在多線程下，我們并不能保證我們的代碼都具有原子性，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。

方法也很簡(jiǎn)單，就是當(dāng)你在訪問(wèn)一個(gè)多線程間共享的資源時(shí)，加鎖可以實(shí)現(xiàn)類似原子操作的效果，一個(gè)代碼要嘛不執(zhí)行，執(zhí)行了的話就要執(zhí)行完畢，才能接受線程的調(diào)度。

因此，我們使用加鎖的方法，對(duì)例子一進(jìn)行一些修改，使其具備“ 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)

此時(shí)，不管你執(zhí)行多少遍，輸出都是 2000000.

4. 為什么 Queue 是線程安全的？

Python 的 threading 模塊里的消息通信機(jī)制主要有如下三種：

1. Event
2. Condition
3. Queue

使用最多的是 Queue，而我們都知道它是線程安全的。當(dāng)我們對(duì)它進(jìn)行寫入和提取的操作不會(huì)被中斷而導(dǎo)致錯(cuò)誤，這也是我們?cè)谑褂藐?duì)列時(shí)，不需要額外加鎖的原因。

他是如何做到的呢？

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。

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，具有不可分割性；即原語(yǔ)的執(zhí)行必須是連續(xù)的，在執(zhí)行過(guò)程中不允許被中斷。