5. 内置类型与线程安全
无 GIL（自由线程）构建下 list/dict/set/bytearray/memoryview 的并发保证分级；与默认 CPython 的差异及实践表。
本章对应官方 Thread Safety Guarantees（线程安全保证）：说明在 关闭 GIL、使用自由线程（free-threaded）构建 的 Python 中，内置类型上哪些操作自带同步、哪些必须靠外部锁。默认带 GIL 的发行版里，多数字节码在解释器层面已隐式串行化，不能把本章当成「有 GIL 就可以随便多线程改同一个 list」的借口——业务上仍应按共享可变状态来设计锁或消息传递。
更一般的写法与已知限制见官方 Python 对自由线程的支持（与 PEP 703、PYTHON_GIL 等配套说明）。
级别从弱到强排列（与官方一致）：
| 级别 | 含义 |
|---|
| Incompatible（不兼容） | 即使用外部锁也难以安全并发；通常碰进程级全局状态（信号处理、环境变量等），程序生命周期内宜单线程调用。 |
| Compatible（兼容） | 多线程可调用，但调用方须持锁包住每次调用；无锁则可能有数据竞争。 |
| Safe on distinct objects | 无外部锁时，只要各线程操作不同对象（或不共享底层缓冲）即安全；同一对象并发仍须锁。 |
| Safe on shared objects | 对同一对象并发也安全；实现内部用每对象锁或临界区等保护。 |
| Atomic（原子） | 在其他线程看来瞬时完成，是最强保证。 |
| 操作 | 要点 |
|---|
lst[i]（读一项） | 原子。 |
item in lst、lst.index、lst.count | 无每对象锁；遍历中依赖对各项的原子读，可能看到并发修改下的中间态。 |
lst[i] = x（写一项） | 多线程调用不破坏 list 结构（官方表述）。 |
lst1 + lst2、n * lst、lst.copy() | 返回新对象；对他线程呈原子观感。 |
lst.append(x)、lst.pop()（末尾） | 无元素搬移时 原子；clear() 原子；排序 sort() 非原子（排序期间他线程可能看到 list 像空的一样，但看不到排序中间排列）。 |
insert、pop(i)（非末尾）、lst *= n | 原地搬移多块，可能与无锁遍历交错，可见中间态。 |
remove | 比较可能走 __eq__（任意 Python 代码），存在与其它线程交错的空间。 |
extend / += iterable | 对 list/tuple/set/frozenset/dict/字典视图（且非子类重写迭代）等，官方对 iterable 一侧有更强保证；一般迭代器仍可能被别线程改。 |
lst[i:j] = iterable | 多线程可调；iterable 为 list（非子类）时另有锁定约定。 |
读改写、if lst: pop()、边迭代边改 | 非原子 / 非线程安全；共享 list 须外部同步或拷贝再迭代。 |
| 操作 | 要点 |
|---|
d[key]、d.get、key in d、len(d) | 无锁、原子读类操作。 |
d[key] =、del d[key]、pop、popitem、setdefault | 单键写删多线程下不破坏 dict；键比较若走用户 __eq__，可能与并发修改交错（str/int/float 等 C 实现比较期间不释锁，风险低）。 |
copy、d | other、keys/values/items | 持每对象锁完成，返回新视图或新 dict。 |
clear | 持锁全程，他线程看不到「一半被删」的元素。 |
update(other)、|=、== | other 为标准 dict 迭代时往往两把锁都拿；子类自定义迭代等则不同；与非 dict 可迭代 update 时只锁目标 dict，对端可被别线程改。 |
dict.fromkeys | 参数为 dict/set/frozenset（且非子类）时锁双方；否则只锁新 dict。 |
读改写、if key in d: del、for ... in d.items() | 非原子 / 不安全；用 pop(key, None) 等原子替代「先查再删」；迭代用 d.copy().items() 或加锁。 |
| 操作 | 要点 |
|---|
len(s) | 无锁、原子。 |
elem in s | 无锁；可能与持锁写操作交错，见中间态；__eq__ 注意同 dict。 |
add、remove、discard、pop | 持锁单元素变更，不破坏 set；同样有 __eq__ 交错问题。 |
copy、clear | copy 持锁全程原子；clear 持锁全程。 |
与 set/frozenset 的 |= &= 等及 isdisjoint/issubset 等 | 在操作数为 set/frozenset 时双对象加锁（官方对 update/union/intersection/difference 等有多条细则，见原文）。 |
check-then-remove、边迭代边改 | 不安全；共享 set 须锁或拷贝迭代。 |
| 操作 | 要点 |
|---|
len | 无锁、原子。 |
+、比较 | 走缓冲协议，不持每对象锁，可能看到并发写的中间态。 |
单字节/切片读 ba[i]、ba[i:j] | 多线程安全读。 |
单字节写、切片赋、append/extend/insert/pop/remove/reverse/clear 等 | 官方列为多线程下不致损坏 bytearray 的操作（仍注意与无锁 +/比较的交错）。 |
ba[i:j] = other_bytearray | 双方加锁。 |
copy、ba * n | 持锁建新对象。 |
x in ba | 持锁全程。 |
find/replace/split/decode 等 | 一般持每对象锁执行全程。 |
迭代、if x in ba: remove | 不安全；可 ba.copy() 再迭代或加锁。 |
| 要点 | 内容 |
|---|
| 自身元数据 | 自由线程构建下，创建/释放与 shape、format 等不变字段的并发读，实现上多用原子操作。 |
| 底层缓冲 | 数据属于 exporter；bytes 等多线程只读通过多 view 一般安全；bytearray 等可变缓冲，多线程无锁读写同一区域不安全，可能损坏数据。 |
| 只读 view | 不能阻止别线程通过其它引用改 mutable 底层对象。 |
| 调整大小 | 在仍有 memoryview 导出时 bytearray.resize 等会 BufferError（与是否多线程无关）。 |
| 场景 | 建议 |
|---|
| 默认 CPython（有 GIL） | 仍按「共享可变状态要锁或队列」设计；GIL 不替代模块级、扩展模块或 nogil 未来的语义。 |
| 已采用自由线程构建 | 以 官方 threadsafety 页 为清单，核对用到的 list/dict/set/bytearray/memoryview 操作是否允许无锁共享。 |
| 复合操作 | x = lst[i] + 1、lst[i] = lst[i] + 1、先 in 再删等一律视为非原子，需锁或原子 API。 |
| 遍历中修改 | 对 list/dict/set/bytearray 均应用 拷贝 或 锁；dict 优先 d.copy().items()。 |
资料：线程安全保证
前端 Python 3.12