Что такое примитивы синхронизации в программировании?

Примитивы синхронизации — это базовые механизмы, используемые в многопоточном или многопроцессном программировании для координации доступа к общим ресурсам и предотвращения проблем, таких как состояния гонки (race conditions) и взаимоблокировки (deadlocks).

В Python модуль threading предоставляет следующие основные примитивы:

1. Lock (Блокировка)

   • Назначение: Самый простой примитив для обеспечения взаимного исключения. Позволяет только одному потоку одновременно выполнять критическую секцию кода.

   • Пример:

     from threading import Lock
     
     shared_data = 0
     lock = Lock()
     
     def increment():
         global shared_data
         with lock: # Захватывает блокировку, гарантируя эксклюзивный доступ
             shared_data += 1

2. RLock (Реентерабельная блокировка)

   • Назначение: Позволяет одному и тому же потоку захватывать блокировку несколько раз без возникновения взаимоблокировки. Это полезно, когда функция, уже владеющая блокировкой, вызывает другую функцию, которая также пытается захватить ту же блокировку.

   • Пример:

     from threading import RLock
     
     r_lock = RLock()
     
     def func1():
         with r_lock: # Первый захват
             print("Func1 acquired lock")
             func2()
     
     def func2():
         with r_lock: # Второй захват тем же потоком
             print("Func2 acquired lock")

3. Semaphore (Семафор)

   • Назначение: Ограничивает количество потоков, которые могут одновременно получить доступ к ресурсу или выполнить определенную секцию кода. Используется для управления пулом ресурсов.

   • Пример:

     from threading import Semaphore
     
     # Разрешает до 3 потоков одновременно
     sem = Semaphore(3)
     
     def worker(name):
         import time
         with sem: # Захватывает семафор (уменьшает счетчик)
             print(f"Поток {name} работает с ресурсом...")
             # Имитация работы
             time.sleep(1)
             print(f"Поток {name} завершил работу.")
         # Семафор освобождается при выходе из 'with' (увеличивает счетчик)

4. Event (Событие)

   • Назначение: Простой механизм для сигнализации между потоками. Один поток ждет, пока событие не будет установлено, а другой поток устанавливает его.

   • Пример:

     from threading import Event
     
     event = Event()
     
     def waiter():
         print("Ожидающий поток: жду события...")
         event.wait() # Блокируется, пока событие не будет установлено
         print("Ожидающий поток: событие получено!")
     
     def setter():
         import time
         time.sleep(2)
         print("Устанавливающий поток: устанавливаю событие.")
         event.set() # Разблокирует все ожидающие потоки

5. Condition (Условие)

   • Назначение: Более сложный механизм, позволяющий потокам ждать выполнения определенного условия и быть уведомленными, когда это условие становится истинным. Часто используется для реализации паттерна "производитель-потребитель".

   • Пример:

     from threading import Condition
     
     items = []
     condition = Condition()
     
     def producer():
         with condition: # Захватывает связанный Lock
             items.append("item")
             print("Производитель: добавил элемент.")
             condition.notify() # Уведомляет один ожидающий поток
     
     def consumer():
         with condition: # Захватывает связанный Lock
             while not items: # Ждем, пока условие не станет истинным
                 print("Потребитель: жду элементы...")
                 condition.wait() # Освобождает Lock и ждет уведомления
             item = items.pop(0)
             print(f"Потребитель: обработал {item}.")

Эти примитивы являются строительными блоками для создания надежных и эффективных многопоточных приложений, помогая управлять доступом к общим данным и координировать выполнение задач.