Što su race conditioni i kako ih mutexi i semafori sprječavaju?

Question

IT Interview Practice · Accepted Answer

Kada više threadova dijeli podatke, njihove se operacije mogu ispreplesti (interleave) usred višekoračnog ažuriranja, stvarajući race condition — grešku u kojoj ishod ovisi o nepredvidivom tajmingu. Sinkronizacija je skup alata koji nameću sigurno redoslijedanje.

Problem: race condition

count++ izgleda atomarno, ali je zapravo read-modify-write:

## Problem: race condition

`count++` izgleda atomarno, ali je zapravo read-modify-write:

```c
// two threads, shared int count = 0, each does count++ once
// thread A: read count (0) ─┐           interleaving loses an update:
// thread B: read count (0) ─┤  both read 0, both write 1 → count == 1, not 2
// thread A: write 1         │
// thread B: write 1         ┘
```

Prozor između čitanja i pisanja je **kritična sekcija (critical section)** — kod koji dodiruje dijeljeno stanje i ne smije se izvoditi konkurentno.

## Alati

- **Mutex (lock)** — međusobno isključivanje: samo jedan thread ga drži u danom trenutku; ostali su blokirani dok se ne otpusti. Omotajte kritičnu sekciju:

```c
pthread_mutex_lock(&m);
count++;                 // kritična sekcija — ekskluzivno
pthread_mutex_unlock(&m);
```

- **Semafor** — brojač koji dopušta do *N* istovremenih držatelja. Binarni semafor (N=1) ponaša se kao lock; brojeći (counting) semafor ograničava, recimo, connection pool na N korisnika. Također se koristi za **signaliziranje** između threadova (producer/consumer).
- **Condition variable** — omogućuje threadu da spava dok predikat ne postane istinit (npr. "red nije prazan"), budeći se bez busy-waitinga.
- **Atomarne operacije** — hardverske instrukcije poput compare-and-swap (CAS) koje rade read-modify-write nedjeljivo, omogućujući lock-free brojače.

## Zamke

Lockovi rješavaju raceove, ali uvode nove rizike: **deadlock** (threadovi čekaju jedni na lockove drugih), **priority inversion** i **contention** (threadovi se serijaliziraju, ubijajući paralelizam). Pravilo palca: držite kritične sekcije **kratkima** i uvijek uzimajte više lockova u **dosljednom globalnom redoslijedu**.

## Zašto je to važno

Bugovi konkurentnosti među najtežima su za pronaći — nedeterministički su i često nestaju pod debuggerom. Ispitivači žele vidjeti da možete *uočiti* kritičnu sekciju, odabrati pravi primitiv (mutex vs semafor vs atomik) i razmišljati o načinima kvarova (deadlock, contention). To se izravno primjenjuje na svaki višethreadovni server, dijeljeni cache ili brojač.

Problem: race condition

Alati

Zamke

Zašto je to važno

Povezana pitanja