竞争条件和关键区

r囧r小猫 2022-08-20 03:22 166阅读 0赞

竞争条件是一个可能发生在关键区域的特殊条件。关键区是由多线程执行的一个代码区，多线程一系列的并发执行关键区导致不同结果。 多线程执行执行关键区的结果的不同和线程执行的顺序有关，关键区就被认为包含竞争条件。竞争条件这个词来源于线程竞争关键区的暗喻，竞争的结果会影响执行关键区的结果 这个听起来可能有点复杂，所以我会在竞争条件和关键区上有一个详细的介绍。

### 关键区 ###

在一个程序中运行多个线程程序自身不会引起任何问题。当多线程访问相同的资源的时候就会引起问题的发生。例如一样的内存（变量、数组或者对象）、系统（数据库、web服务等等）或者文件 事实上，多个线程写入这些资源的时候问题就会出现，只要资源没有发生改变，多线程读取相同的资源是没有任何问题的。 下边是一个java关键区代码的例子，如果多个线程并发的执行就可能会出问题

public class Counter {
    
         protected long count = 0;
    
         public void add(long value){
             this.count = this.count + value;
         }
      }

想象一下两个线程A和B，在一个Counter类的实例上执行add方法，没有什么方法能够知道什么时候操作系统在两个线程之间切换，add方法中的代码在JVM中并不是原子执行的，而是由一系列的小的步骤组成的，和这个很像

1、从主存中读取count到寄存器中

2、把值增加到寄存器中

3、把寄存器写回到内存中

观察下载线程A和B中混合执行，会发生什么

this.count = 0;
    
       A:  Reads this.count into a register (0)
       B:  Reads this.count into a register (0)
       B:  Adds value 2 to register
       B:  Writes register value (2) back to memory. this.count now equals 2
       A:  Adds value 3 to register
       A:  Writes register value (3) back to memory. this.count now equals 3

两个线程想要增加值2和值3给这个counter，因此在两个线程执行完成之后，它的值应该是5。因为两个线程的执行是交错进行的，因此结果也是不同的。 在上边例子中列出的执行顺序，两个线程从内存中读取的值为0，然后他们单独增肌它们的值2和3，把结果写回到内存中。除了5，this.count的值将会是最后写入的值，在上边的例子的结果是因为它是线程A的结果，也可能是线程B的结果。

### 关键区域中的竞争条件 ###

上边例子中的add方法包含关键区，当多线程执行这个方法的时候，竞争条件就会发生。更通常的情况是，两个线程竞争同样的资源，访问资源的顺序很重要，这就被称作是竞争条件。导致竞争条件的代码区就叫做关键区。

### 阻止竞争条件 ###

为了阻止竞争条件的发生，你就必须确保关键区的原子执行，也就意味着一次只能有一个线程执行它，在这个线程没有离开关键区之前其他线程不能执行。 在关键区上进行适当的线程同步可以避免竞争条件的发生。线程同步可以用Java的synchronize代码块来实现。线程同步也可用其他的同步构造如locks或者原子变量来实现

### 关键区的输出 ###

对于小的关键区把整个的关键区作为一个同步代码块或许可以工作。但是对于更大的关键区，将他们划分成更小的关键区或许会更好，这样多线程就可以在不同的关键区上执行。这会减少共享资源的竞争，就会提高整个关键区的吞吐

下边这个一个简单的java代码的例子

public class TwoSums {
        
        private int sum1 = 0;
        private int sum2 = 0;
        
        public void add(int val1, int val2){
            synchronized(this){
                this.sum1 += val1;   
                this.sum2 += val2;
            }
        }
    }

注意add方法是在两个不同的成员变量上增加值。为了阻止sum竞争条件的发生加上的java的同步块，用这种方法的实现同时只能有一个现在在方法上执行。但是，因为两个sum变量彼此之间是独立的，你可以把他们分开为两个独立的同步代码块，就像这样：

public class TwoSums {
        
        private int sum1 = 0;
        private int sum2 = 0;
        
        public void add(int val1, int val2){
            synchronized(this){
                this.sum1 += val1;   
            }
            synchronized(this){
                this.sum2 += val2;
            }
        }
    }

现在可以有两个线程同时在add方法上执行了。一个线程在第一个同步代码块，另一个线程在另一个同步代码块中，这个例子非常简单，当然，在实际的生活中将有共享资源的关键区分开是非常复杂的，需要更多的分析。