什么是竞态条件?

在编写多线程应用程序时，遇到的最常见的问题之一是竞争条件。

我对社区的问题是:

竞态条件是什么? 你如何发现它们? 你是如何处理的? 最后，你如何防止它们的发生?

竞态条件是一种bug，只会在特定的时间条件下发生。

例子: 假设您有两个线程，A和B。

在线程A中:

if( object.a != 0 )
    object.avg = total / object.a

线程B:

object.a = 0

如果线程A在检查完对象后被抢占。a不为空，B将执行a = 0，当线程a将获得处理器时，它将执行“除零”。

这个错误只发生在if语句之后的线程A被抢占时，这是非常罕见的，但它是有可能发生的。

2008-08-29 16:03:06

当两个或多个线程可以访问共享数据，并且它们试图同时更改数据时，就会发生竞态条件。因为线程调度算法可以在任何时候在线程之间交换，所以您不知道线程将尝试访问共享数据的顺序。因此，数据更改的结果依赖于线程调度算法，即两个线程都在“竞相”访问/更改数据。

当一个线程执行“检查-然后-行动”时，问题经常发生。“check”如果值是X，那么“act”做一些取决于值是X的事情)，另一个线程在“check”和“act”之间对值做一些事情。例句:

if (x == 5) // The "Check"
{
   y = x * 2; // The "Act"

   // If another thread changed x in between "if (x == 5)" and "y = x * 2" above,
   // y will not be equal to 10.
}

这一点是，y可以是10，也可以是任何值，这取决于在检查和执行之间是否有另一个线程改变了x。你根本不知道。

为了防止竞争条件的发生，您通常会在共享数据周围放置一个锁，以确保一次只有一个线程可以访问数据。这意味着:

// Obtain lock for x
if (x == 5)
{
   y = x * 2; // Now, nothing can change x until the lock is released. 
              // Therefore y = 10
}
// release lock for x

2008-08-29 16:05:23

竞态条件是并发编程中的一种情况，其中两个并发线程或进程争夺资源，最终状态取决于谁先获得资源。

2008-08-29 16:07:57

Race conditions occur in multi-threaded applications or multi-process systems. A race condition, at its most basic, is anything that makes the assumption that two things not in the same thread or process will happen in a particular order, without taking steps to ensure that they do. This happens commonly when two threads are passing messages by setting and checking member variables of a class both can access. There's almost always a race condition when one thread calls sleep to give another thread time to finish a task (unless that sleep is in a loop, with some checking mechanism).

防止竞争条件的工具依赖于语言和操作系统，但一些常见的工具是互斥锁、临界区和信号。互斥锁在你想确保你是唯一一个在做某事的时候很有用。当你想确保别人已经完成某件事时，信号是很好的。最小化共享资源还有助于防止意外行为

Detecting race conditions can be difficult, but there are a couple signs. Code which relies heavily on sleeps is prone to race conditions, so first check for calls to sleep in the affected code. Adding particularly long sleeps can also be used for debugging to try and force a particular order of events. This can be useful for reproducing the behavior, seeing if you can make it disappear by changing the timing of things, and for testing solutions put in place. The sleeps should be removed after debugging.

但是，如果某个问题只在某些机器上断断续续地发生，则是存在竞争条件的标志性标志。常见的错误是崩溃和死锁。使用日志记录，您应该能够找到受影响的区域并从那里返回。

2008-08-29 16:12:09

一个有点规范的定义是“当两个线程同时访问内存中的同一个位置，并且至少有一次访问是写操作。”在这种情况下，“reader”线程可能获得旧值或新值，这取决于哪个线程“赢得了比赛”。这并不总是一个bug——事实上，一些非常复杂的低级算法会故意这样做——但通常应该避免。@Steve Gury的例子很好地说明了这可能是个问题。

2008-08-29 16:21:41

当访问共享资源的多线程(或其他并行)代码可能以导致意外结果的方式访问共享资源时，就存在“竞争条件”。

举个例子:

for ( int i = 0; i < 10000000; i++ )
{
   x = x + 1; 
}

如果你有5个线程同时执行这段代码，x的值最终不会是50,000,000。事实上，它会随着每一次运行而变化。

这是因为，为了让每个线程增加x的值，它们必须做以下事情:(显然是简化的)

Retrieve the value of x
Add 1 to this value
Store this value to x

任何线程都可以在任何时间处于此进程的任何步骤，并且当涉及共享资源时，它们可以相互踩。在读取x和写回x之间的时间内，x的状态可以由另一个线程改变。

假设一个线程获取了x的值，但还没有存储它。另一个线程也可以检索相同的x值(因为还没有线程更改它)，然后它们都将在x中存储相同的值(x+1) !

例子:

Thread 1: reads x, value is 7
Thread 1: add 1 to x, value is now 8
Thread 2: reads x, value is 7
Thread 1: stores 8 in x
Thread 2: adds 1 to x, value is now 8
Thread 2: stores 8 in x

竞争条件可以通过在代码访问共享资源之前使用某种锁定机制来避免:

for ( int i = 0; i < 10000000; i++ )
{
   //lock x
   x = x + 1; 
   //unlock x
}

这里，答案每次都是50,000,000。

有关锁的更多信息，请搜索:互斥量，信号量，临界区，共享资源。

2008-08-29 17:01:56

下面是一个经典的银行账户余额示例，它将帮助新手轻松理解Java中的线程w.r.t.竞争条件:

public class BankAccount {

/**
 * @param args
 */
int accountNumber;
double accountBalance;

public synchronized boolean Deposit(double amount){
    double newAccountBalance=0;
    if(amount<=0){
        return false;
    }
    else {
        newAccountBalance = accountBalance+amount;
        accountBalance=newAccountBalance;
        return true;
    }

}
public synchronized boolean Withdraw(double amount){
    double newAccountBalance=0;
    if(amount>accountBalance){
        return false;
    }
    else{
        newAccountBalance = accountBalance-amount;
        accountBalance=newAccountBalance;
        return true;
    }
}

public static void main(String[] args) {
    // TODO Auto-generated method stub
    BankAccount b = new BankAccount();
    b.accountBalance=2000;
    System.out.println(b.Withdraw(3000));

}

2011-11-22 05:35:44

微软实际上已经发布了一篇关于竞态条件和死锁的非常详细的文章。最概括的摘要是标题段:

A race condition occurs when two threads access a shared variable at the same time. The first thread reads the variable, and the second thread reads the same value from the variable. Then the first thread and second thread perform their operations on the value, and they race to see which thread can write the value last to the shared variable. The value of the thread that writes its value last is preserved, because the thread is writing over the value that the previous thread wrote.

2012-09-14 08:00:50

为了更好地理解竞态条件，请尝试以下基本示例:

    public class ThreadRaceCondition {

    /**
     * @param args
     * @throws InterruptedException
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Account myAccount = new Account(22222222);

        // Expected deposit: 250
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            Transaction t = new Transaction(myAccount,
                    Transaction.TransactionType.DEPOSIT, 5.00);
            t.start();
        }

        // Expected withdrawal: 50
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            Transaction t = new Transaction(myAccount,
                    Transaction.TransactionType.WITHDRAW, 1.00);
            t.start();

        }

        // Temporary sleep to ensure all threads are completed. Don't use in
        // realworld :-)
        Thread.sleep(1000);
        // Expected account balance is 200
        System.out.println("Final Account Balance: "
                + myAccount.getAccountBalance());

    }

}

class Transaction extends Thread {

    public static enum TransactionType {
        DEPOSIT(1), WITHDRAW(2);

        private int value;

        private TransactionType(int value) {
            this.value = value;
        }

        public int getValue() {
            return value;
        }
    };

    private TransactionType transactionType;
    private Account account;
    private double amount;

    /*
     * If transactionType == 1, deposit else if transactionType == 2 withdraw
     */
    public Transaction(Account account, TransactionType transactionType,
            double amount) {
        this.transactionType = transactionType;
        this.account = account;
        this.amount = amount;
    }

    public void run() {
        switch (this.transactionType) {
        case DEPOSIT:
            deposit();
            printBalance();
            break;
        case WITHDRAW:
            withdraw();
            printBalance();
            break;
        default:
            System.out.println("NOT A VALID TRANSACTION");
        }
        ;
    }

    public void deposit() {
        this.account.deposit(this.amount);
    }

    public void withdraw() {
        this.account.withdraw(amount);
    }

    public void printBalance() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                + " : TransactionType: " + this.transactionType + ", Amount: "
                + this.amount);
        System.out.println("Account Balance: "
                + this.account.getAccountBalance());
    }
}

class Account {
    private int accountNumber;
    private double accountBalance;

    public int getAccountNumber() {
        return accountNumber;
    }

    public double getAccountBalance() {
        return accountBalance;
    }

    public Account(int accountNumber) {
        this.accountNumber = accountNumber;
    }

    // If this method is not synchronized, you will see race condition on
    // Remove syncronized keyword to see race condition
    public synchronized boolean deposit(double amount) {
        if (amount < 0) {
            return false;
        } else {
            accountBalance = accountBalance + amount;
            return true;
        }
    }

    // If this method is not synchronized, you will see race condition on
    // Remove syncronized keyword to see race condition
    public synchronized boolean withdraw(double amount) {
        if (amount > accountBalance) {
            return false;
        } else {
            accountBalance = accountBalance - amount;
            return true;
        }
    }
}

2013-05-31 15:51:21

在竞争条件和数据竞争之间有一个重要的技术差异。大多数答案似乎假设这些术语是等价的，但事实并非如此。

当两条指令访问相同的内存位置时，就会发生数据竞争，其中至少有一个是写，并且在这些访问之间没有发生排序之前。现在，什么构成happens before顺序还存在很多争论，但一般来说，同一个锁变量上的ulock-lock对和同一个条件变量上的wait-signal对诱导的是happens before顺序。

竞态条件是语义错误。它是发生在事件的时间或顺序上的缺陷，会导致错误的程序行为。

许多竞态条件可能(事实上也是)是由数据竞态引起的，但这是不必要的。事实上，数据竞争和竞争条件既不是彼此的必要条件，也不是彼此的充分条件。这篇博客文章也用一个简单的银行交易例子很好地解释了两者的区别。下面是另一个简单的例子来解释这种区别。

既然我们已经确定了术语，让我们试着回答最初的问题。

由于竞争条件是语义错误，因此没有检测它们的通用方法。这是因为在一般情况下，不可能有一个自动的oracle来区分正确和不正确的程序行为。种族检测是一个无法确定的问题。

另一方面，数据竞争有一个精确的定义，它不一定与正确性有关，因此可以检测到它们。数据竞争检测器有很多种(静态/动态数据竞争检测、基于锁集的数据竞争检测、基于先于事件发生的数据竞争检测、混合数据竞争检测)。最先进的动态数据竞争检测器是ThreadSanitizer，它在实践中工作得非常好。

处理数据竞争通常需要一些编程规程来在访问共享数据之间的边之前诱导happens(在开发过程中，或者在使用上述工具检测到它们之后)。这可以通过锁、条件变量、信号量等来实现。但是，还可以使用不同的编程范例，例如消息传递(而不是共享内存)，以避免构造造成的数据竞争。