Python之进程+线程+协程（并发与并行、GIL锁、同步锁、死锁、递归锁）

￡神魔★判官ぃ 2023-07-24 11:46 5阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *   *  一、并发与并行
         *  二、同步与异步
         *  三、线程锁
         *   *   *  1、GIL全局解释器锁
                 *  2、同步锁
                 *  3、死锁
                 *  4、递归锁

*在Python中GIL解释器锁、同步锁、死锁、递归锁都是什么？怎么这么多锁，它们都是用来控制进程、线程的吗？作为一个程序猿，你真的理解并行与并发，同步与异步了么？*  
*希望本篇文章能给你想要的答案…*

### 一、并发与并行 ###

**1、并发**  
一个系统具有处理多个任务的能力，一个CPU可以处理多个任务也叫并发，因为CPU的切换速度极其快

**2、并行**  
一个系统具有 同时 处理多个任务的能力，同时是严格意义上的同时进行

**3、区别：** 因为一个CPU是可以不断切换任务的，可以实现并发效果，但一个CPU某一个微小的时刻只能正在处理一个任务。  
因此，多核的CPU才具有并行的能力，并行是并发的一个子集，并行一定能并发

**4、测试代码：**

import threading
    import time
    
    #定义累加和累乘的函数
    def add():
        sum1= 0
        for i in range(10000):
            sum1+= i
        print('累加结果：\n',sum1)
    
    def mul():
        mul2= 1
        for i in range(1,1000):
            mul2*= i
        print('累乘结果：','\n',mul2)
    
    start= time.time()
    
    #实例化线程对象
    t1= threading.Thread(target=add)
    t2= threading.Thread(target=mul)
    
    #将每个线程都追加到列表中
    l= []
    l.append(t1)
    l.append(t2)
    
    #初始化每个线程对象
    for t in l:
        t.start()
    
    #加入join设置
    for t in l:
        t.join()
    
    print('程序一共运行{}秒'.format(time.time()-start))

### 二、同步与异步 ###

**1、同步**  
一个进程需要接受外部数据，即执行到一个IO操作（等待外部数据）的时候，程序就一直“等着”，不会往下执行；直到接收到了数据

**2、异步**  
一个进程当执行到一个IO操作时，不会等着，会继续执行后续的操作，某时刻接收到了数据，再返回来处理；很多等待都是没有意义的，因此异步效率更高

### 三、线程锁 ###

##### 1、GIL全局解释器锁 #####

**概念分析**  
（1）Cpython用来组织多线程同时运行的一种手段，是Cpython解释器默认的一种设定。也就说明无论我们开启多少个线程，有多少个CPU（或者多核），Python在执行的时候都会在同一时刻只运行一个线程。

（2）之所以加了这个解释器锁，是python的发明者为了维持解释器的稳定运行，但对于用户而言，却是一道障碍，会让我们的进程运行效率不高。

（3）对GIL的精简解释：因为有GIL，所以同一时刻，只有一个线程被CPU执行，导致我们的多核CPU能力无法展现。

（4）但是GIL是无法去除的，只能从其他方面来提高效率，比如多进程+协程，因为我们无法实现一个进程里面跑多个线程，那就直接开多个进程。

**任务的分类**  
（1）IO密集型：需要多次等待外部的数据，所以CPU有非常多的空闲时间，我们就可以利用那些空闲时间来做其他任务，因此有GIL的python适合执行IO密集型的任务，还可以采用多进程+协程来提高效率。

（2）计算密集型：需要连续执行下去不能中断的任务，如计算累乘、计算π的值。

（3）总结：Python的多线程对于IO密集型任务相当有意义，而对于计算密集型的任务则比较低效率，Python不适用。

##### 2、同步锁 #####

**（1）串行计算：**

import threading
    import time
    
    
    
    #定义累加和累乘的函数
    def sub():
        global num
        temp= num
        time.sleep(0.0001)
        num= temp-1
    
    start= time.time()
    num= 100
    l= []
    
    
    #实例化线程对象
    for i in range(100):
        t1= threading.Thread(target=sub)
        t1.start()
        l.append(t1)
    
    #加入join设置
    for t in l:
        t.join()
    
    print('运行结果：{}，程序一共运行{}秒'.format(num,time.time()-start))

**（2）串行计算结果：**  
![串行][20200411150351939.png]  
*可以看到从100减去1减了100次计算的结果本应该是0，可这里结果却是56，而且是变化的数字；*

*原因就是函数执行中途睡了0.001秒，这个时间不长不短，接近CPU在同一个进程中的切换速度；*

*就使一部分计算切换过去了，一部分计算还保留原来的值，即有些减去了1，有些还没减1线程就被切换走了，导致了结算结果的错误。*

**（3）处理方法——加一个同步锁：**  
将CPU锁死，一瞬间只能有一个线程在执行，在这个线程处理完之前都不会让CPU在线程中切换

将函数内容改成以下代码就可以防止串行：

#加一个同步锁
    lock= threading.Lock()
    
    #定义累加和累乘的函数
    def sub():
        #用同步锁将线程锁住
        lock.acquire()
        
        global num
        temp= num
        time.sleep(0.001)
        num= temp-1
    
        #释放同步锁
        lock.release()

*这样改一下，就能得出正确结果0了*

##### 3、死锁 #####

**（1）死锁案例：**

import threading
    import time
    
    #继承式线程定义
    class MyThread(threading.Thread):
        #先获得A锁的函数
        def actionA(self):
            A.acquire()  #获得锁
            print(self.name,'gotA',time.ctime())  #输出线程名和时间
            time.sleep(2)
    
            #在没有释放A锁的情况下再获取B锁
            B.acquire()
            print(self.name,'gotB',time.ctime())
            time.sleep(1)
    
            #释放A锁和B锁
            B.release()
            A.release()
    
        #先获得B锁的函数
        def actionB(self):
            B.acquire()  #获得锁
            print(self.name,'gotB',time.ctime())  #输出线程名和时间
            time.sleep(2)
    
            #在没有释放A锁的情况下再获取B锁
            A.acquire()
            print(self.name,'gotA',time.ctime())
            time.sleep(1)
    
            #释放A锁和B锁
            A.release()
            B.release()
        
        def run(self):
            #执行两个动作
            self.actionA()
            self.actionB()
    
    if __name__ == '__main__':
        #创建两个锁
        A= threading.Lock()
        B= threading.Lock()
        L= []
    
        #执行5次实例化对象，但因为死锁，实际只会执行一次
        for i in range(5):
            t= MyThread()
            t.start()
            L.append(t)
    
        for i in L:
            i.join()

（2）死锁结果：  
![死锁][20200411151304723.png]  
*Thread 1在actionB中将B锁锁住了，没有释放，然后Thread 2将A锁锁住；*

*之后先释放A锁，但此时进程正处于Thread 2上，该进程上没有A锁，无法释放A锁；*

*而Thread 1上是B锁，由于Thread 2没有执行完，被锁住的，所以Thread 1上的B锁也不会被释放；*

*就这样一直僵持着，导致程序只会执行一遍，之后一直处于死锁状态。*

##### 4、递归锁 #####

（1）递归锁测试：

import threading
    import time
    
    #继承式线程定义
    class MyThread(threading.Thread):
        #先获得A锁的函数
        def actionA(self):
            r_lock.acquire()  #获得锁
            print(self.name,'gotA',time.ctime())  #输出线程名和时间
            time.sleep(2)
    
            #在没有释放A锁的情况下再获取B锁
            r_lock.acquire()
            print(self.name,'gotB',time.ctime())
            time.sleep(1)
    
            #释放A锁和B锁
            r_lock.release()
            r_lock.release()
    
        #先获得B锁的函数
        def actionB(self):
            r_lock.acquire()  #获得锁
            print(self.name,'gotB',time.ctime())  #输出线程名和时间
            time.sleep(2)
    
            #在没有释放A锁的情况下再获取B锁
            r_lock.acquire()
            print(self.name,'gotA',time.ctime())
            time.sleep(1)
    
            #释放A锁和B锁
            r_lock.release()
            r_lock.release()
        
        def run(self):
            #执行两个动作
            self.actionA()
            self.actionB()
    
    if __name__ == '__main__':
        start= time.time()
    
        
        #创建两个锁
        #A= threading.Lock()
        #B= threading.Lock()
    
        #创建一个递归锁
        r_lock= threading.RLock()
         
        L= []
    
        #执行5次实例化对象，但因为死锁，实际只会执行一次
        for i in range(5):
            t= MyThread()
            t.start()
            L.append(t)
    
        for i in L:
            i.join()
    
        print('程序一共执行%s秒' %(time.time()-start))

（2）递归锁结果：  
![递归锁][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1ZpZXdpbmZpbml0ZWx5_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
*这样它总共会创建5个线程，5个线程接替递归使用，某个进程被占用时就用另外的空闲线程来执行任务，就不会有相互竞争的死锁状态；*

*就相当于递归锁这一把锁就代表了5把锁，5把锁有空闲的都能用。*

[20200411150351939.png]: /images/20230528/f73b6443da11431a89bff7b16f3e2d4a.png
[20200411151304723.png]: /images/20230528/b65c2996b12a4f5395f129be132bc68b.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1ZpZXdpbmZpbml0ZWx5_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230528/0f8424611766459e81db7d8be3bcd108.png