Python中的+ =运算符是否是线程安全的？

Question

我想为实验创建一个非线程安全的代码块,这些是2个线程要调用的函数.

c = 0

def increment():
  c += 1

def decrement():
  c -= 1

这段代码线程安全吗？

如果没有,我可以理解为什么它不是线程安全的,以及什么样的语句通常会导致非线程安全的操作.

如果它是线程安全的,我怎样才能使它明确地是非线程安全的？

Answer 1

不,这段代码是绝对的,显然不是线程安全的.

import threading

i = 0

def test():
    global i
    for x in range(100000):
        i += 1

threads = [threading.Thread(target=test) for t in range(10)]
for t in threads:
    t.start()

for t in threads:
    t.join()

assert i == 1000000, i

一贯失败.

i + = 1解析为四个操作码:加载i,加载1,加上两个,然后将其存储回i.Python解释器每100个操作码切换活动线程(通过从一个线程释放GIL,以便另一个线程可以拥有它).(这些都是实现细节.)在加载和存储之间发生100操作码抢占时发生竞争条件,允许另一个线程开始递增计数器.当它返回到挂起的线程时,它继续使用旧值"i"并撤消其他线程同时运行的增量.

使其线程安全是直截了当的; 添加一个锁:

#!/usr/bin/python
import threading
i = 0
i_lock = threading.Lock()

def test():
    global i
    i_lock.acquire()
    try:
        for x in range(100000):
            i += 1
    finally:
        i_lock.release()

threads = [threading.Thread(target=test) for t in range(10)]
for t in threads:
    t.start()

for t in threads:
    t.join()

assert i == 1000000, i

Answer 2

(注意:global c在每个函数中都需要使代码工作.)

这段代码线程安全吗？

在CPython中,只有一个字节码指令是'原子'的,并且a +=可能不会产生单个操作码,即使所涉及的值是简单的整数:

>>> c= 0
>>> def inc():
...     global c
...     c+= 1

>>> import dis
>>> dis.dis(inc)

  3           0 LOAD_GLOBAL              0 (c)
              3 LOAD_CONST               1 (1)
              6 INPLACE_ADD         
              7 STORE_GLOBAL             0 (c)
             10 LOAD_CONST               0 (None)
             13 RETURN_VALUE        

因此,一个线程可以使用c和1加载到索引6,放弃GIL并让另一个线程执行inc并休眠,将GIL返回到第一个线程,该线程现在具有错误的值.

在任何情况下,什么是原子是一个你不应该依赖的实现细节.字节码可能会在CPython的未来版本中发生变化,并且在不依赖于GIL的Python的其他实现中,结果将完全不同.如果您需要线程安全,则需要一个锁定机制.

Answer 3

确保我建议使用锁:

import threading

class ThreadSafeCounter():
    def __init__(self):
        self.lock = threading.Lock()
        self.counter=0

    def increment(self):
        with self.lock:
            self.counter+=1


    def decrement(self):
        with self.lock:
            self.counter-=1

synchronized装饰器还可以帮助保持代码易于阅读.

Answer 4

很容易证明您的代码不是线程安全的.你可以通过在关键部分使用睡眠来增加看到竞争状态的可能性(这只是模拟一个缓慢的CPU).但是,如果你运行代码的时间足够长,你应该最终看到竞争条件.

from time import sleep
c = 0

def increment():
  global c
  c_ = c
  sleep(0.1)
  c = c_ + 1

def decrement():
  global c
  c_ = c
  sleep(0.1)
  c  = c_ - 1

Answer 5

简短的回答：没有。

长答案：一般不会。

虽然 CPython 的 GIL 使单个操作码线程安全，但这不是一般行为。您可能不会认为即使是像加法这样的简单操作也是原子指令。当另一个线程运行时，添加可能只完成了一半。

一旦你的函数在多个操作码中访问一个变量，你的线程安全就消失了。如果将函数体包装在locks 中，则可以生成线程安全性。但请注意，锁的计算成本可能很高，并且可能会产生死锁。

Answer 6

由于 GIL，单个操作码是线程安全的，但仅此而已：

import time
class something(object):
    def __init__(self,c):
        self.c=c
    def inc(self):
        new = self.c+1 
        # if the thread is interrupted by another inc() call its result is wrong
        time.sleep(0.001) # sleep makes the os continue another thread
        self.c = new


x = something(0)
import threading

for _ in range(10000):
    threading.Thread(target=x.inc).start()

print x.c # ~900 here, instead of 10000

多个线程共享的每个资源都必须有锁。