Python多线程如何实现条件变量 Python多线程复杂同步机制详解

雪夜
发布: 2025-11-16 20:56:02
原创
540人浏览过
条件变量用于协调多线程执行,解决互斥锁无法处理的等待与通知问题。它结合锁和等待队列,支持线程在条件不满足时挂起并由其他线程唤醒,适用于生产者-消费者等场景。通过 threading.Condition 实现,推荐使用 with 语句管理锁,调用 wait() 前需持有锁,且应使用 while 循环检查条件以避免虚假唤醒,确保线程安全与正确同步。

python多线程如何实现条件变量 python多线程复杂同步机制详解

条件变量的作用与基本概念

在Python多线程编程中,当多个线程需要协调执行顺序或等待特定状态时,仅靠互斥锁(Lock)往往不够。这时就需要使用条件变量(Condition)。它允许线程在某个条件不满足时挂起自己,并在其他线程改变状态后被唤醒。

条件变量本质上是“锁 + 等待队列”的组合。它内部持有一个锁(默认为RLock),并维护一个等待该条件的线程队列。典型应用场景包括生产者-消费者模型、任务等待结果等。

如何创建和使用 Condition

Python 的 threading.Condition 类提供了对条件变量的支持。常用方法有:

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  • acquire() / release():获取/释放底层锁
  • wait(timeout=None):释放锁并进入等待,直到被 notify 唤醒
  • notify(n=1):唤醒最多 n 个等待的线程
  • notify_all():唤醒所有等待线程

下面是一个简单的生产者-消费者示例:

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豆包AI编程 483
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import threading
import time
import random
<h1>共享资源</h1><p>items = []
condition = threading.Condition()</p><p>def producer():
global items
for i in range(5):
condition.acquire()
item = random.randint(1, 100)
items.append(item)
print(f"生产者: 添加 {item}")
condition.notify()  # 唤醒一个消费者
condition.release()
time.sleep(1)</p><p>def consumer():
global items
while True:
condition.acquire()
if not items:
print("消费者: 暂无数据,等待...")
condition.wait()  # 释放锁并等待
item = items.pop(0)
print(f"消费者: 取出 {item}")
condition.release()
time.sleep(2)</p><h1>启动线程</h1><p>t1 = threading.Thread(target=producer)
t2 = threading.Thread(target=consumer)</p><p>t1.start()
t2.start()</p><p>t1.join()
t2.join()</p>
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使用 with 简化锁管理

为了避免忘记释放锁,推荐使用 with 语句操作条件变量。它会自动处理 acquire 和 release:

def consumer_with():
    global items
    while True:
        with condition:
            if not items:
                print("等待新数据...")
                condition.wait()
            item = items.pop(0)
            print(f"消费: {item}")
        time.sleep(2)  # 不在锁内休眠,提高并发性
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注意:wait() 调用前必须先持有锁,而 wait 执行时会自动释放锁,被唤醒后重新获取锁再返回。

常见陷阱与最佳实践

使用条件变量时容易犯几个错误:

  • 忘记加锁就调用 wait:会导致 RuntimeError
  • 用 if 判断条件而不是 while:可能因虚假唤醒导致逻辑错误
  • notify 过早:在条件未真正改变前通知,可能导致错过信号

正确做法是:

with condition:
    while not some_condition:
        condition.wait()
    # 执行操作
    do_something()
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循环检查可以防止虚假唤醒问题,确保条件真正满足后再继续。

基本上就这些。条件变量是实现复杂线程同步的关键工具,掌握它有助于构建更高效的并发程序。

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