数据竞争的梦魇——多线程程序中的数据竞争分析与解决

2023-11-30 03:03:14

数据竞争，也称之为竞态条件，是一种多线程编程中常见的错误，是多个线程同时访问和修改同一个共享变量时，而没有采取任何同步措施导致的。并发编程，是我们近年来不断在探索的一个领域，也是程序设计非常难以掌握的一个部分，它常常带来令人难以捉摸的问题，很难在测试中发现，比如数据竞争。

1. 并发程序的噩梦：数据竞争

数据竞争是并发程序中常见的问题，它会导致程序产生不可预测的行为。

数据竞争的原因是多个线程同时访问和修改同一个共享变量，而没有采取任何同步措施。例如，考虑以下代码：

public class DataRace {
    private int count = 0;

    public void increment() {
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        DataRace dataRace = new DataRace();

        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
                dataRace.increment();
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
                dataRace.increment();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(dataRace.count);
    }
}

这段代码创建了两个线程，每个线程都将count变量递增1000000次。但是，由于没有采取任何同步措施，因此有可能两个线程同时访问和修改count变量，从而导致数据竞争。

数据竞争会导致程序产生不可预测的行为。例如，在上面的代码中，count变量的最终值可能小于2000000，也可能大于2000000。这是因为，两个线程有可能同时访问count变量，并且其中一个线程在另一个线程递增count变量之前将count变量的值读取到寄存器中。这样，当另一个线程递增count变量时，寄存器中的值不会被更新，从而导致count变量的最终值小于2000000。

2. 解决数据竞争的方法

解决数据竞争的方法有很多，其中最常用的是以下三种：

2.1 忙等待

忙等待是一种简单的解决数据竞争的方法。它是一种让线程一直循环，直到共享变量处于所需状态为止的技术。例如，考虑以下代码：

public class BusyWaiting {
    private int count = 0;

    public void increment() {
        while (count != 0) {
            // 忙等待
        }

        count++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        BusyWaiting busyWaiting = new BusyWaiting();

        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
                busyWaiting.increment();
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
                busyWaiting.increment();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(busyWaiting.count);
    }
}

这段代码使用了忙等待来解决数据竞争。当一个线程想要访问共享变量count时，它会一直循环，直到count变量的值为0。这样，就可以保证两个线程不会同时访问和修改count变量，从而避免数据竞争。

但是，忙等待的缺点是它会浪费CPU资源。当一个线程在忙等待时，它会一直占用CPU时间，而不会做任何有用的工作。因此，忙等待只适用于共享变量访问频率较低的情况。

2.2 synchronized

synchronized是Java中用来解决数据竞争的另一个常用方法。synchronized关键字可以用来修饰方法或代码块，当一个线程进入一个synchronized方法或代码块时，其他线程将无法进入该方法或代码块，直到第一个线程离开该方法或代码块。例如，考虑以下代码：

public class Synchronized {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Synchronized synchronized = new Synchronized();

        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
                synchronized.increment();
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
                synchronized.increment();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(synchronized.count);
    }
}