Python並行編程(五)：線程同步之信號量

1、基本概念

      信號量是由操作系統管理的一種抽象數據類型，用於在多線程中同步對共享資源的使用。本質上說，信號量是一個內部數據，用於標明當前的共享資源可以有多少並發讀取。

      同樣在threading中，信號量有acquire和release兩個函數。

      - 每當線程想要讀取關聯了信號量的共享資源時，必須調用acquire，此操作減少信號量的內部變量，如果此變量的值非負，那么分配該資源的權限。如果是負值，那么線程被掛起，直到有其他的線程釋放資源。

      - 當線程不再需要該共享資源，必須通過release釋放，這樣，信號線的內部變量增加，在信號量等待隊列中排在最前面的線程會拿到共享資源的權限。

      

      信號量同步機制在線程操作為原子操作時，才會沒有問題，但如果不是原子操作，或者兩個操作有一個終止了，就會出現問題，比如：

      有兩個並發線程，都在等待一個信號量，假設目前信號量的內部值為1，再假設線程A將信號量的值從1減到0，此時線程A拿到資源權限，這時候如果控制器切換到了線程B，線程B將信號量的值從0減到-1，並且在這里被掛起等待，這時控制器回到線程A，信號量已經成為了負值，於是第一個線程也在等待。盡管當時的信號量是可以讓線程訪問資源的，但是因為非原子操作導致了所有的線程都在狀態。

 

2、信號量的使用

      使用信號量進行線程同步例子：

# coding: utf-8
import threading
import time
import random

semaphore = threading.Semaphore(0)

def consumer():
    print("Consumer is waiting.")
    semaphore.acquire()
    print("Consumer notify: Consumed item number %s" %item)

def producer():
    global item
    time.sleep(10)
    item = random.randint(0, 100)
    print("Producer notify: Produced item number %s" %item)
    semaphore.release()

if __name__ == "__main__":
    for i in range(0, 5):
        t1 = threading.Thread(target=producer)
        t2 = threading.Thread(target=consumer)
        t1.start()
        t2.start()
        t1.join()
        t2.join()
    print("Program terminated")

      信號量被初始化為0，semaphore = threading.Semaphore(0)，目的是同步兩個或多個線程。線程必須並行運行，所以需要信號量同步。

      如果信號量的計數器到了0，就會阻塞acquire方法，直到得到另一個線程的通知。如果信號量的計數器大於0，就會對這個值-1然后分配資源。

 

3、補充

      信號量的一個特殊用法是互斥量。互斥量是初始值為1的信號量，可以實現數據、資源的互斥訪問。

      信號量在支持多線程的編程語言中應用很廣，但是他也有可能造成死鎖的情況。例如，有一個線程t1，先等待信號量s1，然后等待信號量s2，而線程t2會先等待信號量s2，然后再等待信號量s1，這樣就會發生死鎖，導致t1等待s2，但是t2在等待s1。