用Python的線程來解決生產(chǎn)者消費(fèi)問題的示例

更新時(shí)間：2015年04月02日 17:00:21 作者：Akshar Raaj

這篇文章主要介紹了用Python的線程來解決生產(chǎn)者消費(fèi)問題的示例,包括對使用線程中容易出現(xiàn)的一些問題給出了相關(guān)解答,需要的朋友可以參考下

我們將使用Python線程來解決Python中的生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題。這個(gè)問題完全不像他們在學(xué)校中說的那么難。

如果你對生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題有了解，看這篇博客會(huì)更有意義。

為什么要關(guān)心生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題：

可以幫你更好地理解并發(fā)和不同概念的并發(fā)。
信息隊(duì)列中的實(shí)現(xiàn)中，一定程度上使用了生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題的概念，而你某些時(shí)候必然會(huì)用到消息隊(duì)列。

當(dāng)我們在使用線程時(shí)，你可以學(xué)習(xí)以下的線程概念：

Condition：線程中的條件。
wait()：在條件實(shí)例中可用的wait()。
notify() ：在條件實(shí)例中可用的notify()。

我假設(shè)你已經(jīng)有這些基本概念：線程、競態(tài)條件，以及如何解決靜態(tài)條件（例如使用lock)。否則的話，你建議你去看我上一篇文章basics of Threads。

引用維基百科：

生產(chǎn)者的工作是產(chǎn)生一塊數(shù)據(jù)，放到buffer中，如此循環(huán)。與此同時(shí)，消費(fèi)者在消耗這些數(shù)據(jù)（例如從buffer中把它們移除），每次一塊。

這里的關(guān)鍵詞是“同時(shí)”。所以生產(chǎn)者和消費(fèi)者是并發(fā)運(yùn)行的，我們需要對生產(chǎn)者和消費(fèi)者做線程分離。

from threading import Thread
 
class ProducerThread(Thread):
  def run(self):
    pass
 
class ConsumerThread(Thread):
  def run(self):
    pass

再次引用維基百科：

這個(gè)為描述了兩個(gè)共享固定大小緩沖隊(duì)列的進(jìn)程，即生產(chǎn)者和消費(fèi)者。

假設(shè)我們有一個(gè)全局變量，可以被生產(chǎn)者和消費(fèi)者線程修改。生產(chǎn)者產(chǎn)生數(shù)據(jù)并把它加入到隊(duì)列。消費(fèi)者消耗這些數(shù)據(jù)（例如把它移出）。

queue = []

在剛開始，我們不會(huì)設(shè)置固定大小的條件，而在實(shí)際運(yùn)行時(shí)加入（指下述例子）。

一開始帶bug的程序：

from threading import Thread, Lock
import time
import random
 
queue = []
lock = Lock()
 
class ProducerThread(Thread):
  def run(self):
    nums = range(5) #Will create the list [0, 1, 2, 3, 4]
    global queue
    while True:
      num = random.choice(nums) #Selects a random number from list [0, 1, 2, 3, 4]
      lock.acquire()
      queue.append(num)
      print "Produced", num
      lock.release()
      time.sleep(random.random())
 
class ConsumerThread(Thread):
  def run(self):
    global queue
    while True:
      lock.acquire()
      if not queue:
        print "Nothing in queue, but consumer will try to consume"
      num = queue.pop(0)
      print "Consumed", num
      lock.release()
      time.sleep(random.random())
 
ProducerThread().start()
ConsumerThread().start()

運(yùn)行幾次并留意一下結(jié)果。如果程序在IndexError異常后并沒有自動(dòng)結(jié)束，用Ctrl+Z結(jié)束運(yùn)行。

樣例輸出：

Produced 3
Consumed 3
Produced 4
Consumed 4
Produced 1
Consumed 1
Nothing in queue, but consumer will try to consume
Exception in thread Thread-2:
Traceback (most recent call last):
 File "/usr/lib/python2.7/threading.py", line 551, in __bootstrap_inner
  self.run()
 File "producer_consumer.py", line 31, in run
  num = queue.pop(0)
IndexError: pop from empty list

解釋：

我們開始了一個(gè)生產(chǎn)者線程（下稱生產(chǎn)者）和一個(gè)消費(fèi)者線程（下稱消費(fèi)者）。
生產(chǎn)者不停地添加（數(shù)據(jù)）到隊(duì)列，而消費(fèi)者不停地消耗。
由于隊(duì)列是一個(gè)共享變量，我們把它放到lock程序塊內(nèi)，以防發(fā)生競態(tài)條件。
在某一時(shí)間點(diǎn)，消費(fèi)者把所有東西消耗完畢而生產(chǎn)者還在掛起（sleep）。消費(fèi)者嘗試?yán)^續(xù)進(jìn)行消耗，但此時(shí)隊(duì)列為空，出現(xiàn)IndexError異常。
在每次運(yùn)行過程中，在發(fā)生IndexError異常之前，你會(huì)看到print語句輸出”Nothing in queue, but consumer will try to consume”，這是你出錯(cuò)的原因。

我們把這個(gè)實(shí)現(xiàn)作為錯(cuò)誤行為（wrong behavior）。

什么是正確行為？

當(dāng)隊(duì)列中沒有任何數(shù)據(jù)的時(shí)候，消費(fèi)者應(yīng)該停止運(yùn)行并等待(wait），而不是繼續(xù)嘗試進(jìn)行消耗。而當(dāng)生產(chǎn)者在隊(duì)列中加入數(shù)據(jù)之后，應(yīng)該有一個(gè)渠道去告訴（notify）消費(fèi)者。然后消費(fèi)者可以再次從隊(duì)列中進(jìn)行消耗，而IndexError不再出現(xiàn)。

關(guān)于條件

條件（condition）可以讓一個(gè)或多個(gè)線程進(jìn)入wait，直到被其他線程notify。參考：?http://docs.python.org/2/library/threading.html#condition-objects

這就是我們所需要的。我們希望消費(fèi)者在隊(duì)列為空的時(shí)候wait，只有在被生產(chǎn)者notify后恢復(fù)。生產(chǎn)者只有在往隊(duì)列中加入數(shù)據(jù)后進(jìn)行notify。因此在生產(chǎn)者notify后，可以確保隊(duì)列非空，因此消費(fèi)者消費(fèi)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)異常。

condition內(nèi)含lock。
condition有acquire()和release()方法，用以調(diào)用內(nèi)部的lock的對應(yīng)方法。

condition的acquire()和release()方法內(nèi)部調(diào)用了lock的acquire()和release()。所以我們可以用condiction實(shí)例取代lock實(shí)例，但lock的行為不會(huì)改變。
生產(chǎn)者和消費(fèi)者需要使用同一個(gè)condition實(shí)例, 保證wait和notify正常工作。

重寫消費(fèi)者代碼：

from threading import Condition
 
condition = Condition()
 
class ConsumerThread(Thread):
  def run(self):
    global queue
    while True:
      condition.acquire()
      if not queue:
        print "Nothing in queue, consumer is waiting"
        condition.wait()
        print "Producer added something to queue and notified the consumer"
      num = queue.pop(0)
      print "Consumed", num
      condition.release()
      time.sleep(random.random())

重寫生產(chǎn)者代碼：

class ProducerThread(Thread):
  def run(self):
    nums = range(5)
    global queue
    while True:
      condition.acquire()
      num = random.choice(nums)
      queue.append(num)
      print "Produced", num
      condition.notify()
      condition.release()
      time.sleep(random.random())

樣例輸出：

Produced 3
Consumed 3
Produced 1
Consumed 1
Produced 4
Consumed 4
Produced 3
Consumed 3
Nothing in queue, consumer is waiting
Produced 2
Producer added something to queue and notified the consumer
Consumed 2
Nothing in queue, consumer is waiting
Produced 2
Producer added something to queue and notified the consumer
Consumed 2
Nothing in queue, consumer is waiting
Produced 3
Producer added something to queue and notified the consumer
Consumed 3
Produced 4
Consumed 4
Produced 1
Consumed 1

解釋：

對于消費(fèi)者，在消費(fèi)前檢查隊(duì)列是否為空。
如果為空，調(diào)用condition實(shí)例的wait()方法。
消費(fèi)者進(jìn)入wait()，同時(shí)釋放所持有的lock。
除非被notify，否則它不會(huì)運(yùn)行。
生產(chǎn)者可以acquire這個(gè)lock，因?yàn)樗呀?jīng)被消費(fèi)者release。
當(dāng)調(diào)用了condition的notify()方法后，消費(fèi)者被喚醒，但喚醒不意味著它可以開始運(yùn)行。
notify()并不釋放lock，調(diào)用notify()后，lock依然被生產(chǎn)者所持有。
生產(chǎn)者通過condition.release()顯式釋放lock。
消費(fèi)者再次開始運(yùn)行，現(xiàn)在它可以得到隊(duì)列中的數(shù)據(jù)而不會(huì)出現(xiàn)IndexError異常。

為隊(duì)列增加大小限制

生產(chǎn)者不能向一個(gè)滿隊(duì)列繼續(xù)加入數(shù)據(jù)。

它可以用以下方式來實(shí)現(xiàn)：

在加入數(shù)據(jù)前，生產(chǎn)者檢查隊(duì)列是否為滿。
如果不為滿，生產(chǎn)者可以繼續(xù)正常流程。
如果為滿，生產(chǎn)者必須等待，調(diào)用condition實(shí)例的wait()。
消費(fèi)者可以運(yùn)行。消費(fèi)者消耗隊(duì)列，并產(chǎn)生一個(gè)空余位置。
然后消費(fèi)者notify生產(chǎn)者。
當(dāng)消費(fèi)者釋放lock，消費(fèi)者可以acquire這個(gè)lock然后往隊(duì)列中加入數(shù)據(jù)。

最終程序如下：

from threading import Thread, Condition
import time
import random
 
queue = []
MAX_NUM = 10
condition = Condition()
 
class ProducerThread(Thread):
  def run(self):
    nums = range(5)
    global queue
    while True:
      condition.acquire()
      if len(queue) == MAX_NUM:
        print "Queue full, producer is waiting"
        condition.wait()
        print "Space in queue, Consumer notified the producer"
      num = random.choice(nums)
      queue.append(num)
      print "Produced", num
      condition.notify()
      condition.release()
      time.sleep(random.random())
 
class ConsumerThread(Thread):
  def run(self):
    global queue
    while True:
      condition.acquire()
      if not queue:
        print "Nothing in queue, consumer is waiting"
        condition.wait()
        print "Producer added something to queue and notified the consumer"
      num = queue.pop(0)
      print "Consumed", num
      condition.notify()
      condition.release()
      time.sleep(random.random())
 
ProducerThread().start()
ConsumerThread().start()

樣例輸出：

Produced 0
Consumed 0
Produced 0
Produced 4
Consumed 0
Consumed 4
Nothing in queue, consumer is waiting
Produced 4
Producer added something to queue and notified the consumer
Consumed 4
Produced 3
Produced 2
Consumed 3

更新：
很多網(wǎng)友建議我在lock和condition下使用Queue來代替使用list。我同意這種做法，但我的目的是展示Condition，wait()和notify()如何工作，所以使用了list。

以下用Queue來更新一下代碼。

Queue封裝了Condition的行為，如wait()，notify()，acquire()。

現(xiàn)在不失為一個(gè)好機(jī)會(huì)讀一下Queue的文檔（http://docs.python.org/2/library/queue.html）。

更新程序：

from threading import Thread
import time
import random
from Queue import Queue
 
queue = Queue(10)
 
class ProducerThread(Thread):
  def run(self):
    nums = range(5)
    global queue
    while True:
      num = random.choice(nums)
      queue.put(num)
      print "Produced", num
      time.sleep(random.random())
 
class ConsumerThread(Thread):
  def run(self):
    global queue
    while True:
      num = queue.get()
      queue.task_done()
      print "Consumed", num
      time.sleep(random.random())
 
ProducerThread().start()
ConsumerThread().start()

解釋：

在原來使用list的位置，改為使用Queue實(shí)例（下稱隊(duì)列）。
這個(gè)隊(duì)列有一個(gè)condition，它有自己的lock。如果你使用Queue，你不需要為condition和lock而煩惱。
生產(chǎn)者調(diào)用隊(duì)列的put方法來插入數(shù)據(jù)。
put()在插入數(shù)據(jù)前有一個(gè)獲取lock的邏輯。
同時(shí)，put()也會(huì)檢查隊(duì)列是否已滿。如果已滿，它會(huì)在內(nèi)部調(diào)用wait()，生產(chǎn)者開始等待。
消費(fèi)者使用get方法。
get()從隊(duì)列中移出數(shù)據(jù)前會(huì)獲取lock。
get()會(huì)檢查隊(duì)列是否為空，如果為空，消費(fèi)者進(jìn)入等待狀態(tài)。
get()和put()都有適當(dāng)?shù)膎otify()?，F(xiàn)在就去看Queue的源碼吧。

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