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用Python的线程来解决生产者消费问题的示例

时间：2021-11-11 05:27 编辑：来源：阅读：
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摘要：用Python的线程来解决生产者消费问题的示例

我们将使用Python线程来解决Python中的生产者—消费者问题。这个问题完全不像他们在学校中说的那么难。如果你对生产者—消费者问题有了解，看这篇博客会更有意义。为什么要关心生产者—消费者问题： [list] [*] 可以帮你更好地理解并发和不同概念的并发。[/*] [*] 信息队列中的实现中，一定程度上使用了生产者—消费者问题的概念，而你某些时候必然会用到消息队列。[/*] [/list] 当我们在使用线程时，你可以学习以下的线程概念： [list] [*] Condition：线程中的条件。[/*] [*] wait()：在条件实例中可用的wait()。[/*] [*] notify() ：在条件实例中可用的notify()。[/*] [/list] 我假设你已经有这些基本概念：线程、竞态条件，以及如何解决静态条件（例如使用lock)。否则的话，你建议你去看我上一篇文章[url=http://agiliq.com/blog/2013/09/understanding-threads-in-python/]basics of Threads[/url]。引用维基百科：生产者的工作是产生一块数据，放到buffer中，如此循环。与此同时，消费者在消耗这些数据（例如从buffer中把它们移除），每次一块。这里的关键词是“同时”。所以生产者和消费者是并发运行的，我们需要对生产者和消费者做线程分离。

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

再次引用维基百科：这个为描述了两个共享固定大小缓冲队列的进程，即生产者和消费者。假设我们有一个全局变量，可以被生产者和消费者线程修改。生产者产生数据并把它加入到队列。消费者消耗这些数据（例如把它移出）。 queue = [] 在刚开始，我们不会设置固定大小的条件，而在实际运行时加入（指下述例子）。一开始带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()

运行几次并留意一下结果。如果程序在IndexError异常后并没有自动结束，用Ctrl+Z结束运行。样例输出：

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

[b]解释：[/b] [list] [*] 我们开始了一个生产者线程（下称生产者）和一个消费者线程（下称消费者）。[/*] [*] 生产者不停地添加（数据）到队列，而消费者不停地消耗。[/*] [*] 由于队列是一个共享变量，我们把它放到lock程序块内，以防发生竞态条件。[/*] [*] 在某一时间点，消费者把所有东西消耗完毕而生产者还在挂起（sleep）。消费者尝试继续进行消耗，但此时队列为空，出现IndexError异常。[/*] [*] 在每次运行过程中，在发生IndexError异常之前，你会看到print语句输出”Nothing in queue, but consumer will try to consume”，这是你出错的原因。[/*] [/list] 我们把这个实现作为错误行为（wrong behavior）。 [b]什么是正确行为？[/b] 当队列中没有任何数据的时候，消费者应该停止运行并等待(wait），而不是继续尝试进行消耗。而当生产者在队列中加入数据之后，应该有一个渠道去告诉（notify）消费者。然后消费者可以再次从队列中进行消耗，而IndexError不再出现。 [b]关于条件[/b] 条件（condition）可以让一个或多个线程进入wait，直到被其他线程notify。参考：?http://docs.python.org/2/library/threading.html#condition-objects 这就是我们所需要的。我们希望消费者在队列为空的时候wait，只有在被生产者notify后恢复。生产者只有在往队列中加入数据后进行notify。因此在生产者notify后，可以确保队列非空，因此消费者消费时不会出现异常。 [list] [*] condition内含lock。[/*] [*] condition有acquire()和release()方法，用以调用内部的lock的对应方法。[/*] [/list] condition的acquire()和release()方法内部调用了lock的acquire()和release()。所以我们可以用condiction实例取代lock实例，但lock的行为不会改变。生产者和消费者需要使用同一个condition实例, 保证wait和notify正常工作。重写消费者代码：

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())

重写生产者代码：

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())

样例输出：

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

[b]解释：[/b] [list] [*] 对于消费者，在消费前检查队列是否为空。[/*] [*] 如果为空，调用condition实例的wait()方法。[/*] [*] 消费者进入wait()，同时释放所持有的lock。[/*] [*] 除非被notify，否则它不会运行。[/*] [*] 生产者可以acquire这个lock，因为它已经被消费者release。[/*] [*] 当调用了condition的notify()方法后，消费者被唤醒，但唤醒不意味着它可以开始运行。[/*] [*] notify()并不释放lock，调用notify()后，lock依然被生产者所持有。[/*] [*] 生产者通过condition.release()显式释放lock。[/*] [*] 消费者再次开始运行，现在它可以得到队列中的数据而不会出现IndexError异常。[/*] [/list] [b]为队列增加大小限制[/b] 生产者不能向一个满队列继续加入数据。它可以用以下方式来实现： [list] [*] 在加入数据前，生产者检查队列是否为满。[/*] [*] 如果不为满，生产者可以继续正常流程。[/*] [*] 如果为满，生产者必须等待，调用condition实例的wait()。[/*] [*] 消费者可以运行。消费者消耗队列，并产生一个空余位置。[/*] [*] 然后消费者notify生产者。[/*] [*] 当消费者释放lock，消费者可以acquire这个lock然后往队列中加入数据。[/*] [/list] 最终程序如下：

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()

样例输出：

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

[b]更新： [/b]很多网友建议我在lock和condition下使用Queue来代替使用list。我同意这种做法，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来更新一下代码。 Queue封装了Condition的行为，如wait()，notify()，acquire()。现在不失为一个好机会读一下Queue的文档（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()

[b]解释：[/b] [list] [*] 在原来使用list的位置，改为使用Queue实例（下称队列）。[/*] [*] 这个队列有一个condition，它有自己的lock。如果你使用Queue，你不需要为condition和lock而烦恼。[/*] [*] 生产者调用队列的put方法来插入数据。[/*] [*] put()在插入数据前有一个获取lock的逻辑。[/*] [*] 同时，put()也会检查队列是否已满。如果已满，它会在内部调用wait()，生产者开始等待。[/*] [*] 消费者使用get方法。[/*] [*] get()从队列中移出数据前会获取lock。[/*] [*] get()会检查队列是否为空，如果为空，消费者进入等待状态。[/*] [*] get()和put()都有适当的notify()。现在就去看Queue的源码吧。[/*] [/list]

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