条件竞争和恶性条件竞争

Posted 2021-01-09 wuyepeng

竞争条件指多个线程或者进程在读写一个共享数据时结果依赖于它们执行的相对时间的情形。

 

竞争条件发生在当多个进程或者线程在读写数据时，其最终的的结果依赖于多个进程的指令执行顺序。

例如：考虑下面的例子

假设两个进程P1和P2共享了变量a。在某一执行时刻，P1更新a为1，在另一时刻，P2更新a为2。

因此两个任务竞争地写变量a。在这个例子中，竞争的“失败者”(最后更新的进程）决定了变量a的最终值。

多个进程并发访问和操作同一数据且执行结果与访问的特定顺序有关，称为竞争条件。

　　

恶性条件竞争通常发生于完成对多于一个的数据块的修改时，例如，对两个连接指针的修改因为操作要访问两个独立的数据块，独立的指令将会对数据块将进行修改，并且其中一个线程可能正在进行时，另一个线程就对数据块进行了访问。因为出现的概率太低，条件竞争很难查找，也很难复现。如CPU指令连续修改完成后，即使数据结构可以让其他并发线程访问，问题再次复现的几率也相当低。当系统负载增加时，随着执行数量的增加，执行序列的问题复现的概率也在增加，这样的问题只可能会出现在负载比较大的情况下。条件竞争通常是时间敏感的，所以程序以调试模式运行时，它们常会完全消失，因为调试模式会影响程序的执行时间(即使影响不多)。

 

如何避免恶性条件竞争？

 

1.这里提供一些方法来解决恶性条件竞争，最简单的办法就是对数据结构采用某种保护机制，确保只有进行修改的线程才能看到不变量被破坏时的中间状态。

 

2另一个选择是对数据结构和不变量的设计进行修改，修改完的结构必须能完成一系列不可分割的变化，也就是保证每个不变量保持稳定的状态，这就是所谓的无锁编程(lock-freeprogramming)。不过，这种方式很难得到正确的结果。

 

3.另一种处理条件竞争的方式是，使用事务(transacting)的方式去处理数据结构的更新(这里的"处理"就如同对数据库进行更新一样)。所需的一些数据和读取都存储在事务日志中，然后将之前的操作合为一步，再进行提交。当数据结构被另一个线程修改后，或处理已经重启的情况下，提交就会无法进行，这称作为“软件事务内存”(software transactional memory(STM))。

4.保护共享数据结构的最基本的方式，是使用C++标准库提供的互斥量(mutex)。