python使用threading.Condition交替打印两个字符
作者：tinyid
Python中使用threading.Condition交替打印两个字符的程序。
这个程序涉及到两个线程的的协调问题，两个线程为了能够相互协调运行，必须持有一个共同的状态，通过这个状态来维护两个线程的执行，通过使用threading.Condition对象就能够完成两个线程之间的这种协调工作。
threading.Condition默认情况下会通过持有一个ReentrantLock来协调线程之间的工作，所谓可重入锁，是只一个可以由一个线程递归获取的锁，此锁对象会维护当前锁的所有者（线程）和当前所有者递归获取锁的次数（本文在逻辑上和可重入锁没有任何关系，完全可以用一个普通锁替代）。
Python文档中给出的描述是：它是一个与某个锁相联系的变量。同时它实现了上下文管理协议。其对象中除了acquire和release方法之外，其它方法的调用的前提是，当前线程必须是这个锁的所有者。
通过代码和其中的注释，能够非常明白地弄清楚Condition的原理是怎样的：
import threading
import time
import functools
def worker(cond, name):
"""worker running in different thread"""
with cond: # 通过__enter__方法，获取cond对象中的锁，默认是一个ReentrantLock对象
print('...{}-{}-{}'.format(name, threading.current_thread().getName(), cond._is_owned()))
cond.wait() # 创建一个新的锁NEWLOCK，调用acquire将NEWLOCK获取，然后将NEWLOCK放入等待列表中，\
# 释放cond._lock锁(_release_save)，最后再次调用acquire让NEWLOCK阻塞
print('wait returned in {}'.format(name))
if __name__ == '__main__':
condition = threading.Condition()
t1 = threading.Thread(target=functools.partial(worker, condition, 't1'))
t2 = threading.Thread(target=functools.partial(worker, condition, 't2'))
t2.start() # 启动线程2
t1.start() # 启动线程1
time.sleep(2)
with condition:
condition.notify(1) # 按照FIFO顺序（wait调用顺序），释放一个锁，并将其从等待列表中删除
time.sleep(2)
with condition:
condition.notify(1) # 按照FIFO顺序（wait调用顺序），释放另一个锁，并将其从等待队列中删除
t1.join() # 主线程等待子线程结束
t2.join() # 主线程等待子线程结束
print('All done')
其输出为：
...t2-Thread-2-True ...t1-Thread-1-True wait returned in t2 wait returned in t1 All done
其中wait方法要求获取到threading.Condition对象中的锁（如果没有提供，默认使用一个可重入锁），然后自己创建一个新的普通锁（NEWLOCK），并获取这个NEWLOCK；之后调用_release_save方法释放threading.Condition对象中的锁，让其它线程能够获取到；最后再次调用NEWLOCK上的acquire方法，由于在创建时已经acquire过，所以此线程会阻塞在此。而wait想要继续执行，必须等待其它线程将产生阻塞的这个NEWLOCK给release掉，当然，这就是notify方法的责任了。
notify方法接收一个数字n，从等待列表中取出相应数量的等待对象（让wait方法阻塞的锁对象），调用其release方法，让对应的wait方法能够返回。而notify_all方法仅仅就是将n设置为等待列表的总长度而已。
在理解了threading.Condition对象中wait和notify的工作原理之后，我们就可以利用它们来实现两个线程交替打印字符的功能了：
import threading
import functools
import time
def print_a(state):
while True:
if state.closed:
print('Close a')
return
print('A')
time.sleep(2)
state.set_current_is_a(True)
state.wait_for_b()
def print_b(state):
while True:
if state.closed:
print('Close b')
return
state.wait_for_a()
print('B')
time.sleep(2)
state.set_current_is_a(False)
if __name__ == '__main__':
class State(object):
"""state used to coordinate multiple(two here) threads"""
def __init__(self):
self.condition = threading.Condition()
self.current_is_a = False
self.closed = False
def wait_for_a(self):
with self.condition:
while not self.current_is_a:
self.condition.wait()
def wait_for_b(self):
with self.condition:
while self.current_is_a:
self.condition.wait()
def set_current_is_a(self, flag):
self.current_is_a = flag
with self.condition:
self.condition.notify_all()
state = State()
t1 = threading.Thread(target=functools.partial(print_a, state))
t2 = threading.Thread(target=functools.partial(print_b, state))
try:
t1.start()
t2.start()
t1.join()
t2.join()
except KeyboardInterrupt:
state.closed = True
print('Closed')
可以看到有两种类型的任务，一个用于打印字符A，一个用于打印字符B，我们的实现种让A先于B打印，所以在print_a中，先打印A，再设置当前字符状态并释放等待列表中的所有锁（set_current_is_a），如果没有这一步，current_is_a将一直是False，wait_for_b能够返回，而wait_for_a却永远不会返回，最终效果就是每隔两秒就打印一个字符A，而B永远不会打印。另一个副作用是如果wait_for_a永远不会返回，那print_b所在线程的关闭逻辑也就无法执行，最终会成为僵尸线程（这里的关闭逻辑只用作示例，生产环境需要更加完善的关闭机制）。
考虑另一种情况，print_a种将set_current_is_a和wait_for_b交换一下位置会怎么样。从观察到的输出我们看到，程序首先输出了一个字符A，以后，每隔2秒钟，就会同时输出A和B，而不是交替输出。原因在于，由于current_is_a还是False，我们先调用的wait_for_b其会立即返回，之后调用set_current_is_a，将current_is_a设置为True，并释放所有的阻塞wait的锁（notify_all），这个过程中没有阻塞，print_a紧接着进入了下一个打印循环；与此同时，print_b中的wait_for_a也返回了，进入到B的打印循环，故最终我们看到A和B总是一起打印。
可见对于threading.Condition的使用需要多加小心，要注意逻辑上的严谨性。
附一个队列版本：
import threading
import functools
import time
from queue import Queue
def print_a(q_a, q_b):
while True:
char_a = q_a.get()
if char_a == 'closed':
return
print(char_a)
time.sleep(2)
q_b.put('B')
def print_b(q_a, q_b):
while True:
char_b = q_b.get()
if char_b == 'closed':
return
print(char_b)
time.sleep(2)
q_a.put('A')
if __name__ == '__main__':
q_a = Queue()
q_b = Queue()
t1 = threading.Thread(target=functools.partial(print_a, q_a, q_b))
t2 = threading.Thread(target=functools.partial(print_b, q_a, q_b))
try:
t1.start()
t2.start()
q_a.put('A')
t1.join()
t2.join()
except KeyboardInterrupt:
q_a.put('closed')
q_b.put('closed')
print('Done')
队列版本逻辑更清晰，更不容易出错，实际应用中应该选用队列。
附一个协程版本（Python 3.5+）：
import time
import asyncio
async def print_a():
while True:
print('a')
time.sleep(2) # simulate the CPU block time
await asyncio.sleep(0) # release control to event loop
async def print_b():
while True:
print('b')
time.sleep(2) # simulate the CPU block time
await asyncio.sleep(0) # release control to event loop
async def main():
await asyncio.wait([print_a(), print_b()])
if __name__ == '__main__':
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(main())
协程的运行需要依附于一个事件循环（select/poll/epoll/kqueue），通过async def将一个函数定义为协程，通过await主动让渡控制权，通过相互让渡控制权完成交替打印字符。整个程序运行于一个线程中，这样就没有线程间协调的工作，仅仅是控制权的让渡逻辑。对于IO密集型操作，而没有明显的CPU阻塞（计算复杂，以致出现明显的延时，比如复杂加解密算法）的情况下非常合适。
附一个Java版本：
PrintMain类，用于管理和协调打印A和打印B的两个线程：
package com.cuttyfox.tests.self.version1;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class PrintMain {
private boolean currentIsA = false;
public synchronized void waitingForPrintingA() throws InterruptedException {
while (this.currentIsA == false) {
wait();
}
}
public synchronized void waitingForPrintingB() throws InterruptedException {
while (this.currentIsA == true) {
wait();
}
}
public synchronized void setCurrentIsA(boolean flag) {
this.currentIsA = flag;
notifyAll();
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
PrintMain state = new PrintMain();
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.execute(new PrintB(state));
executorService.execute(new PrintA(state));
executorService.shutdown();
executorService.awaitTermination(10, TimeUnit.SECONDS);
System.out.println("Done");
System.exit(0);
}
}
打印A的线程（首先打印A）：
package com.cuttyfox.tests.self.version1;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class PrintA implements Runnable{
private PrintMain state;
public PrintA(PrintMain state) {
this.state = state;
}
public void run() {
try {
while (!Thread.interrupted()){
System.out.println("Print A");
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
this.state.setCurrentIsA(true);
this.state.waitingForPrintingB();
}
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("Exit through Interrupting.");
}
}
}
打印B的线程：
package com.cuttyfox.tests.self.version1;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class PrintB implements Runnable{
private PrintMain state;
public PrintB(PrintMain state) {
this.state = state;
}
public void run() {
try{
while (!Thread.interrupted()) {
this.state.waitingForPrintingA();
System.out.println("Print B");
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
this.state.setCurrentIsA(false);
}
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("Exit through Interrupting.");
}
}
}
Java对象本身有对象锁，故这里没有像Python中那样需要显式通过创建一个Condition对象来得到一把锁。
使用Python实现交替打印abcdef的过程：
import threading
import time
import functools
from collections import deque
LETTERS = [chr(code) for code in range(97, 97+6)]
LENGTH = len(LETTERS)
class State(object):
def __init__(self):
self.condition = threading.Condition()
self.index_value = 0
def set_next_index(self, index):
with self.condition:
self.index_value = index
self.condition.notify_all()
def wait_for(self, index_value):
with self.condition:
while not self.index_value == index_value:
self.condition.wait()
def print_letter(state: State, wait_ident: int):
print('Got: {}!'.format(wait_ident))
while True:
state.wait_for(wait_ident)
time.sleep(2)
print(LETTERS[state.index_value])
print('PRINT: {} AND SET NEXT: {}'.format(state.index_value,
(state.index_value + 1) % LENGTH
))
state.set_next_index((state.index_value + 1) % LENGTH)
state = State()
d = deque()
d.extend(range(LENGTH))
d.rotate(1)
print(d)
threads = []
for wait_ident in d:
t = threading.Thread(target=functools.partial(print_letter, state, wait_ident))
threads.append(t)
for thread in threads:
thread.start()
for thread in threads:
thread.join()
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