翻译：老齐

译者注：与本文相关图书推荐：《Python大学实用教程》《跟老齐学Python：轻松入门》

第二部分

竞态条件

在讨论Python线程的其他特性之前，让我们先讨论一下编写线程程序时遇到的一个更困难的问题：竞态条件。

一旦你了解了什么是竞态条件，并看到了正在发生的情况，然后就使用标准库提供的模块，以防止这些竞态条件的出现。

当两个或多个线程访问共享数据或资源时，可能会出现竞态情况。在本例中，你将创建一个每次都发生的大型竞态条件，但请注意，大多数它并不是很明显。示例中的情况通常很少发生，而且会产生令人困惑的结果。可以想象，因为竞态条件而引起的bug很难被发现。

幸运的是，在下述示例中竞态问题每次都会发生，你将详细地了解它以便解释发生了什么。

对于本例，将编写一个更新数据库的类。你不会真的有一个数据库：你只是要伪造它，因为这不是本文的重点。

FakeDatabase 类中有 .__init__() 和 .update() 方法：

class FakeDatabase:
    def __init__(self):
        self.value = 0

    def update(self, name):
        logging.info("Thread %s: starting update", name)
        local_copy = self.value
        local_copy += 1
        time.sleep(0.1)
        self.value = local_copy
        logging.info("Thread %s: finishing update", name)
复制代码

FakeDatabase 中的属性 .value ，用于作为竞态条件中共享的数据。

.__init__() 中将 .value 值初始化为 0. ，到目前为止，一切正常。

.update() 看起来有点奇怪，它模拟从数据库中读取一个值，对其进行一些计算，然后将一个新值写回数据库。

所谓从数据库中读取，即将 .value 的值复制到本地变量。计算就是在原值上加1，然后 .sleep() 一小会儿。最后，它通过将本地值复制回 .value ，将值写回去。

下面是 FakeDatabase 的使用方法：

if __name__ == "__main__":
    format = "%(asctime)s: %(message)s"
    logging.basicConfig(format=format, level=logging.INFO,
                        datefmt="%H:%M:%S")

    database = FakeDatabase()
    logging.info("Testing update. Starting value is %d.", database.value)
    with concurrent.futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=2) as executor:
        for index in range(2):
            executor.submit(database.update, index)
    logging.info("Testing update. Ending value is %d.", database.value)
复制代码

程序中创建了两个 ThreadPoolExecutor ，然后对每个线程调用 .submit() ，告诉它们运行 database.update() 。

.submit() 有一个明显特征，它允许将位置参数和命名参数传给线程中运行的函数:

.submit(function, *args, **kwargs)
复制代码

在上面的用法中， index 作为第一个也是唯一一个位置参数传给 database.update() 。你将在本文后面看到，可以用类似的方式传多个参数。

由于每个线程都运行 .update() ，而 .update() 会让 .value 的值加1，因此在最后打印时，你可能会希望 database.value 为2。但如果是这样的话，你就不会看这个例子了。如果运行上述代码，则输出如下：

$ ./racecond.py
Testing unlocked update. Starting value is 0.
Thread 0: starting update
Thread 1: starting update
Thread 0: finishing update
Thread 1: finishing update
Testing unlocked update. Ending value is 1.
复制代码

你可能已经预料到这种情况会发生，但是让我们来看看实际情况的细节，因为这将使这个问题的解决方案更容易理解。

单线程

在用两个线程深入讨论这个问题之前，让我们先退一步，谈谈线程工作流程的一些细节。

我们不会在这里深入讨论所有的细节，因为这种全面深入的讨论现在并不重要。我们还将简化一些事情，这种做法虽然在技术上并不准确，但会让你对正在发生的事情有正确的认识。

当你告诉 ThreadPoolExecutor 运行每个线程时，也就是告诉它要运行哪个函数以及要传给它的参数： executor.submit(database.update, index) 。

其结果是线程池中的每个线程都将调用 database.update(index) 。注意， database 是 __main__ 中创建的 FakeDatabase 实例对象，调用它的方法 .update() 。

每个线程都将引用同一个 FakeDatabase 的实例 database ，每个线程还将有一个唯一的值 index 。为了让上述过程更容易理解，请看下图：

当某线程开始运行 .update() 时，它有此方法的本地的数据，即 .update() 中的 local_copy 。这绝对是件好事，否则，在两个线程中运行同一个函数就会互相干扰了。这意味着该函数的所有作用域（或本地）变量对于线程来说都是安全的。

现在，你已经理解，如果使用单个线程和对 .update() 的单个调用来运行上面的程序会发生什么情况。

如果只运行一个线程，如下图所示，会一步一步地执行 .update() 。下图中，语句显示在上面，下面用图示方式演示了线程中的 local_value 和共享的 database.value 中的值的变化:

按照时间顺序，从上到下观察上面的示意图，从创建线程 Thread 1 开始，到 Thread 1 结束终止。

Thread 1 启动时， FakeDatabase.value 为零。方法中的第一行代码 local_copy=self.value 将0复制到局部变量。接下来，使用 local_copy+=1 语句增加 local_copy 的值。你可以看到 Thread 1 中的 .value 值为1。

然后，调用下一个 time.sleep() ，这将使当前线程暂停并允许其他线程运行。因为在这个例子中只有一个线程，所以这没有影响。

当 Thread 1 唤醒并继续时，它将新值从 local_copy 复制到 FakeDatabase.value ，然后线程完成。你可以看到 database.value 为1。

到目前为止，一切正常。你只运行了一次 .update() 并且将 FakeDatabase.value 递增为1。

两个线程

回到竞态条件，两个线程并行，但不是同时运行。每个线程都有自己的 local_copy ，并指向相同的 database ，正是这个共享数据库对象导致了这些问题。