Python面試官：請説説併發場景鎖怎麼用？

語言: CN / TW / HK
時間 2022-07-06 08:15:08
主題:

今天的文章，我們一起來聊聊多線程場景當中不可或缺的另外一個部分——鎖。

如果你學過操作系統，那麼對於鎖應該不陌生。鎖的含義是線程鎖，可以用來指定某一個邏輯或者是資源同一時刻只能有一個線程訪問。這個很好理解，就好像是有一個房間被一把鎖鎖住了，只有拿到鑰匙的人才能進入。每一個人從房間門口拿到鑰匙進入房間，出房間的時候會把鑰匙再放回到門口。這樣下一個到門口的人就可以拿到鑰匙了。這裏的房間就是某一個資源或者是一段邏輯，而拿取鑰匙的人其實指的是一個線程。

加鎖的原因

我們明白了鎖的原理，不禁有了一個問題，我們為什麼需要鎖呢，它在哪些場景當中會用到呢？

其實它的使用場景非常廣，我們舉一個非常簡單的例子，就是淘寶買東西。我們都知道商家的庫存都是有限的，賣掉一個少一個。假如説當前某個商品庫存只剩下一個，但當下卻有兩個人同時購買。兩個人同時購買也就是有兩個請求同時發起購買請求，如果我們不加鎖的話，兩個線程同時查詢到商品的庫存是1，大於0，進行購買邏輯之後，同時減一。由於兩個線程同時執行，所以最後商品的庫存會變成-1。

顯然商品的庫存不應該是一個負數，所以我們需要避免這種情況發生。通過加鎖可以完美解決這個問題。我們規定一次只能有一個線程發起購買的請求，那麼這樣當一個線程將庫存減到0的時候，第二個請求就無法修改了，就保證了數據的準確性。

代碼實現

那麼在Python當中，我們怎麼樣來實現這個鎖呢？

其實很簡單，threading庫當中已經為我們提供了線程的工具，我們直接拿過來用就可以了。我們通過使用threading當中的Lock對象， 可以很輕易的實現方法加鎖的功能。

import threading

class PurchaseRequest:
    '''
    初始化庫存與鎖
    '''
    def __init__(self, initial_value = 0):
        self._value = initial_value
        self._lock = threading.Lock()

    def incr(self,delta=1):
        '''
        加庫存
        '''
        self._lock.acquire()
        self._value += delta
        self._lock.release()

    def decr(self,delta=1):
        '''
        減庫存
        '''
        self._lock.acquire()
        self._value -= delta
        self._lock.release()

我們從代碼當中就可以很輕易的看出Lock這個對象的使用方法，我們在進入加鎖區（資源搶佔區）之前，我們需要先使用lock.acquire()方法獲取鎖。Lock對象可以保證同一時刻只能有一個線程獲取鎖，只有獲取了鎖之後才會繼續往下執行。當我們執行完成之後，我們需要把鎖“放回門口”，所以需要再調用一下release方法，表示鎖的釋放。

這裏有一個小問題是很多程序員在編程的時候總是會忘記release，導致不必要的bug，而且這種分佈式場景當中的bug很難通過測試發現。因為測試的時候往往很難測試併發場景，code review的時候也很容易忽略，因此一旦泄露了還是挺難發現的。

為了解決這個問題，Lock還提供了一種改進的用法，就是使用with語句。with語句我們之前在使用文件的時候用到過，使用with可以替我們完成try catch以及資源回收等工作，我們只管用就完事了。這裏也是一樣，使用with之後我們就可以不用管鎖的申請和釋放了，直接寫代碼就行，所以上面的代碼可以改寫成這樣：

import threading

class PurchaseRequest:
    '''
    初始化庫存與鎖
    '''
    def __init__(self, initial_value = 0):
        self._value = initial_value
        self._lock = threading.Lock()

    def incr(self,delta=1):
        '''
        加庫存
        '''
  with self._lock:
         self._value += delta

    def decr(self,delta=1):
        '''
        減庫存
        '''
        with self._lock:
         self._value -= delta

這樣看起來是不是清爽很多？

可重入鎖

上面介紹的只是最簡單的鎖，我們經常使用的往往是可重入鎖。

什麼叫可重入鎖呢？簡單解釋一下，就是在一個線程已經持有了鎖的情況下，它可以再次進入被加鎖的區域。但是既然線程還持有鎖沒有釋放，那麼它不應該還是在加鎖區域嗎，怎麼會有需要再次進入被加鎖區域的情況呢？其實是有的，道理也很簡單，就是遞歸。

我們把上面的例子稍微改一點點，就完全不一樣了。

import threading

class PurchaseRequest:
    '''
    初始化庫存與鎖
    '''
    def __init__(self, initial_value = 0):
        self._value = initial_value
        self._lock = threading.Lock()

    def incr(self,delta=1):
        '''
        加庫存
        '''
  with self._lock:
         self._value += delta

    def decr(self,delta=1):
        '''
        減庫存
        '''
        with self._lock:
         self.incr(-delta)

我們關注一下上面的decr方法，我們用incr來代替了原本的邏輯實現了decr。但是有一個問題是decr也是一個加鎖的方法，需要前一個鎖釋放了才能進入。但它已經持有了鎖了，那麼這種情況下就會發生死鎖。

我們只需要把Lock換成可重入鎖就可以解決這個問題，只需要修改一行代碼。

import threading

class PurchaseRequest:
    '''
    初始化庫存與鎖
    我們使用RLock代替了Lock，也可重入鎖代替了普通鎖
    '''
    def __init__(self, initial_value = 0):
        self._value = initial_value
        self._lock = threading.RLock()

    def incr(self,delta=1):
        '''
        加庫存
        '''
  with self._lock:
         self._value += delta

    def decr(self,delta=1):
        '''
        減庫存
        '''
        with self._lock:
         self.incr(-delta)

總結

今天我們的文章介紹了Python當中鎖的使用方法，以及可重入鎖的概念。在併發場景下開發和調試都是一個比較困難的工作，稍微不小心就會踩到各種各樣的坑，死鎖只是其中一種比較常見並且比較容易解決的問題，除此之外還有很多其他各種各樣的問題。

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