Python Barrier源码解析

栏目: Python · 发布时间: 5年前

内容简介：源代码在：阅读本部分之前，需要对条件变量有了解，否则，请先阅读：Barrier对象内部会维护一个状态：

from threading import Thread, Barrier
from time import sleep
import logging

logging.basicConfig(level=logging.INFO,
    format="[thread:%(threadName)s] [%(asctime)s] %(message)s",
    datefmt="%F %T")

logger = logging.getLogger(__name__)

b = Barrier(2)

def func(t, b):
    sleep(t)
    logger.info("enter into barrier")
    b.wait()
    logger.info("exit barrier")

t1 = Thread(target=func, name="t1", args=(3, b))
t2 = Thread(target=func, name="t2", args=(5, b))
t1.start()
t2.start()

logger.info("start")
t1.join()
t2.join()
logger.info("end")

源代码在： https://github.com/python/cpython/blob/3.7/Lib/threading.py

阅读本部分之前，需要对条件变量有了解，否则，请先阅读： Python Condition源码解析。

Barrier对象内部会维护一个状态： self._state 。其取值为：

0
表示屏障正在填充状态，也就是，正在等待足够数量的线程进入到屏障
1
表示屏障正在解除状态，也就是，已经有指定数量的线程进入到了屏障。正在屏障上等待的线程，会依次退出屏障， 在最后一个线程退出屏障时， self._state 会被重置为0 。在 这期间 ，尝试进入到屏障的线程，会一直阻塞，直到在屏障上等待的最后一个线程退出屏障，这些线程会再次尝试进入屏障。
也就是说，在屏障中，有两类线程： 等待进入到屏障的线程 和 已经进入到屏障的线程 。
-1
表示屏障正在重置状态。调用 Barrier 对象的 reset() 方法，会将屏障重置到初始状态。重置屏障时， 当前正在屏障上等待的所有线程 都会得到 BrokenBarrierError 错误，并退出屏障，在最后一个线程退出屏障的时候， self._state 会被重置为0。在 重置期间 ，尝试进入到屏障的线程，会一直阻塞，直到在屏障上等待的最后一个线程退出屏障，这些线程会再次尝试进入屏障。
-2
表示屏障正在打破状态。既可以通过调用 Barrier 对象的 abort() 方法，来打破屏障；同时，正在屏障上等待的线程在达到超时之后，也会从内部打破屏障。一个屏障一旦被打破，那么所有 正在屏障上等待的线程 和 正在尝试进入到屏障的线程 ，都会得到 BrokenBarrierError 错误，并退出屏障。需要注意的是：当因为重置屏障，或屏障解除，而导致 正在屏障上等待的线程 退出屏障时，最后一个退出的线程，会将屏障的状态 重置为0 ；但是如果因为屏障被打破而退出屏障时，最后一个退出的线程，并不会重置屏障的状态。也就是说，如果不主动reset屏障，那么以后屏障会一直处于打破状态。尝试进入到处于打破状态的屏障的线程，会直接得到 BrokenBarrierError 错误。

接下来，用一张状态迁移图，来描述Barrier对象的内部状态的部分相互转化关系：

Python3的Condition增加了 wait_for 方法，并且在Barrier类中用到了该方法，因此先看一下，它的作用：

def wait_for(self, predicate, timeout=None):
        # predicate是一个可调用对象，调用该可调用对象，需要返回一个布尔值

        # <strong>当timeout是None的时候，wait_for方法，首先会调用</strong>
        # <strong> + predicate，如果返回True，则wait_for返回True；</strong>
        # <strong> + 否则，该方法会阻塞，直到被唤醒。</strong>
        # <strong> + 被唤醒之后，会继续调用predicate，...，如此循环，直到调用predicate返回True</strong>

        # <strong>当timeout不是None的时候，wait_for方法，首先会调用predicate，</strong>
        # <strong> + 如果返回True，则wait_for返回True；</strong>
        # <strong> + 否则，该方法会阻塞，直到超时或被唤醒。</strong>
        # <strong> + 在超时或被唤醒之后，会继续调用predicate，...，如此循环，直到：</strong>
        # <strong> + + 1，在timeout期间内，调用predicate返回了True，那么wait_for返回True</strong>
        # <strong> + + 2，在timeout期间内，调用predicate一直返回False，</strong>
        # <strong> + + + 那么，wait_for会等待到超时，然后返回False</strong>

        # 也就是说，如果该方法返回了True，那么调用predicate就会返回True；否则，返回False

        endtime = None
        waittime = timeout
        result = predicate()
        while not result:
            if waittime is not None:
                if endtime is None:
                    endtime = _time() + waittime
                else:
                    waittime = endtime - _time()
                    if waittime <= 0:
                        break
            self.wait(waittime)
            result = predicate()
        return result

下面是Barrier类的主要源码：

class Barrier:
    def __init__(self, parties, action=None, timeout=None):
        # parties: 线程数量
        # action: 是一个可调用对象，当屏障解除时，会调用该可调用对象，
        # + 如果，在调用该可调用对象时，出现了异常，该屏障会进入到broken状态（可以查看：<a href="http://download.timd.cn/blog/2018/test_barrier_1.py.txt">例子</a>）
        # timeout：是一个超时时间，它是wait()方法的默认超时时间

        self._cond = Condition(Lock())
        self._action = action
        self._timeout = timeout
        self._parties = parties
        # <strong>关于屏障对象的状态，上面已经详细说明过</strong>
        self._state = 0 #0 filling, 1, draining, -1 resetting, -2 broken
        # <strong>已经进入到屏障的线程的数量</strong>
        self._count = 0

    <strong>def wait(self, timeout=None):</strong>
        """<strong>等候屏障被解除或被打破。
        只有当指定数量的线程进入屏障时，屏障才会被移除，这些线程才能继续运行。
        如果指定了action，那么在屏障被移除之前，会先调用它。
        该方法返回，线程是第几个进入到屏障的（从0开始计数）
        </strong>"""

        # 如果没有指定timeout参数，那么使用构造方法中指定的timeout
        if timeout is None:
            timeout = self._timeout

        with self._cond:
            # 当屏障正在解除，或者正在重置时，会阻塞尝试进入到屏障的线程
            # + 在屏障完成解除或重置时，会唤醒这些线程，它们会再次尝试进入屏障
            # + 在屏障被打破时，也会唤醒这些线程，它们会获得BrokenBarrierError，
            # + + 并退出屏障
            self._enter()

            index = self._count
            self._count += 1
            try:
                # 当已经有指定数量的线程，进入到屏障时，那么解除屏障：
                # + 1，运行action指定的可调用对象
                # + 2，释放所有在屏障上等待的线程
                if index + 1 == self._parties:
                    self._release()
                # 否则，等待：
                # + 1，直到屏障被解除
                # + 2，直到屏障被重置
                # + 3，直到屏障被打破
                # + 4，达到超时时间，
                # + + 在达到超时时间之后，线程会在内部打破屏障
                else:
                    self._wait(timeout)

            # 在退出屏障时，
            # + 1，返回线程是第几个进入到屏障的（从0开始计数）
            # + 2，递减进入到屏障的线程数
            # + 3，最后一个退出屏障的线程会重置屏障的状态
            # + + 4，并唤醒等待进入屏障的线程
                return index
            finally:
                self._count -= 1
                self._exit()

    def _enter(self):
        while self._state in (-1, 1):
            self._cond.wait()
        if self._state < 0:
            raise BrokenBarrierError
        assert self._state == 0

    def _release(self):
        try:
            if self._action:
                self._action()
            self._state = 1
            self._cond.notify_all()
        except:
            self._break()
            raise

    def _wait(self, timeout):
        if not self._cond.wait_for(lambda : self._state != 0, timeout):
            self._break()
            raise BrokenBarrierError
        if self._state < 0:
            raise BrokenBarrierError
        assert self._state == 1

    def _exit(self):
        if self._count == 0:
            if self._state in (-1, 1):
                self._state = 0
                self._cond.notify_all()

    <strong>def reset(self):</strong>
        """<strong>把屏障重置到初始状态
        当前正在屏障上等待的线程会得到BrokenBarrierError，并退出屏障
        </strong>"""
        with self._cond:
            # 1，如果有线程正在屏障上等待，那么，
            <strong>if self._count > 0:</strong>
                # + 1.1，如果屏障处于填充状态或打破状态，那么将状态置为正在重置；
                # + + 并唤醒所有正在等待的线程；
                # + + 最后一个离开屏障的线程，会重置屏障的状态为填充状态；
                # + + 并唤醒尝试进入到屏障的线程
                if self._state == 0:
                    self._state = -1
                elif self._state == -2:
                    #was broken, set it to reset state
                    #which clears when the last thread exits
                    self._state = -1
                # + 1.2，如果屏障正在解除或重置，那么无需任何操作，
                # + + 屏障在完成解除或重置之后，会自动回到初始状态
            # 2，如果屏障上没有任何线程在等待，那么：
            # + 2.1，强制将状态置为填充状态（也就是初始状态）
            # + 2.2，唤醒尝试进入到屏障的线程
            else:
                self._state = 0
            <strong>self._cond.notify_all()</strong>

    <strong>def abort(self):</strong>
        """<strong>从外部打破屏障</strong>"""
        with self._cond:
            self._break()

    def _break(self):
        self._state = -2
        self._cond.notify_all()

    @property
    def parties(self):
        # 返回需要的线程数量
        return self._parties

    @property
    def n_waiting(self):
       # 返回当前正在屏障上等待的线程的数量
        if self._state == 0:
            return self._count
        return 0

    @property
    def broken(self):
        # 返回屏障是否处于broken状态
        return self._state == -2


class BrokenBarrierError(RuntimeError):
    pass

以上所述就是小编给大家介绍的《Python Barrier源码解析》，希望对大家有所帮助，如果大家有任何疑问请给我留言，小编会及时回复大家的。在此也非常感谢大家对码农网的支持！

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