time.sleep对多线程的影响及多进程无竞态条件的原因

场景说明 #

1. 多线程初始表现 #

运行以下多线程代码时，多数情况下输出first\nsecond，偶尔会出现firstsecond：

from threading import Thread
from multiprocessing import Process
import time

def f(name):
    print(name)

if __name__ == '__main__':
    for _ in range(10):
        t1 = Thread(target=f, args=['first'])
        t2 = Thread(target=f, args=['second'])

        t1.start()
        t2.start()
        t1.join()
        t2.join()
        print()

当给函数f添加time.sleep(0.01)后，多数情况下会得到类似firstsecond\nsecondfirst的交错输出。

2. 多进程表现 #

若改用multiprocessing的Process实现：

t1 = Process(target=f, args=['first'])
t2 = Process(target=f, args=['second'])

则始终输出first\nsecond。

问题解答 #

1. time.sleep(0.01)对多线程输出的影响 #

Python的print函数不是原子操作——它会先把内容写入缓冲区，再执行换行（默认带换行符）。初始场景里，print(name)执行速度极快，操作系统的线程调度器大多还没来得及切换线程，t1就已经完成了整个print流程，所以多数时候输出正常；只有偶尔调度器会在t1写完first但还没输出换行时切换到t2，才会出现firstsecond的情况。

添加time.sleep(0.01)后，线程执行到sleep时会主动释放CPU时间片，触发操作系统的线程调度。这大幅提升了两个线程交替执行的概率：要么t1打印完first就进入睡眠，调度器切换到t2执行打印；要么t2先被调度执行，最终就出现了交错的输出结果。

2. 多进程为何无竞态条件 #

多进程和多线程的核心区别是内存空间完全隔离：每个进程都拥有独立的地址空间，包括独立的标准输出缓冲区。

在多进程场景中，t1和t2是两个完全独立的进程，它们的print操作各自写入自己进程的输出缓冲区，最后由操作系统统一把各个进程的输出同步到终端。即便进程之间存在调度切换，每个进程的输出内容都不会混写到同一个缓冲区里，自然不会出现输出交织的竞态条件，所以始终能得到有序的输出。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者h s