Kas yra race conditions ir kaip mutexes bei semaphores jas užkerta?

Question

IT Interview Practice · Accepted Answer

Kai kelios gijos dalijasi duomenimis, jų operacijos gali persipinti (interleave) viduryje kelių žingsnių atnaujinimo, sukurdamos race condition — klaidą, kai rezultatas priklauso nuo nenuspėjamo laiko. Sinchronizacija yra įrankių rinkinys, priverčiantis saugią eiliškumo tvarką.

Problema: race condition

atrodo atominis, bet iš tikrųjų yra skaityk-keisk-rašyk (read-modify-write):

## Problema: race condition

`count++` atrodo atominis, bet iš tikrųjų yra skaityk-keisk-rašyk (read-modify-write):

```c
// dvi gijos, bendras int count = 0, kiekviena kartą daro count++
// gija A: read count (0) ─┐           persipynimas praranda atnaujinimą:
// gija B: read count (0) ─┤  abi perskaito 0, abi įrašo 1 → count == 1, ne 2
// gija A: write 1         │
// gija B: write 1         ┘
```

Langas tarp skaitymo ir rašymo yra **critical section** (kritinė sekcija) — kodas, liečiantis bendrą būseną, kuris negali veikti lygiagrečiai.

## Įrankiai

- **Mutex (lock)** — abipusis išskyrimas (mutual exclusion): tik viena gija jį laiko vienu metu; kitos blokuojasi, kol jis atleidžiamas. Apgaubkite kritinę sekciją:

```c
pthread_mutex_lock(&m);
count++;                 // kritinė sekcija — išskirtinė
pthread_mutex_unlock(&m);
```

- **Semaphore** — skaitiklis, leidžiantis iki *N* laikytojų vienu metu. Dvejetainis semaphore (N=1) veikia kaip lock; skaičiuojantis semaphore riboja, tarkim, connection pool iki N naudotojų. Taip pat naudojamas **signalizavimui (signaling)** tarp gijų (producer/consumer).
- **Condition variable** — leidžia gijai miegoti, kol predikatas tampa teisingas (pvz. „queue not empty“), pabundant be busy-waiting.
- **Atominės operacijos** — aparatinės instrukcijos, tokios kaip compare-and-swap (CAS), atliekančios skaityk-keisk-rašyk nedalomai, įgalinančios lock-free skaitiklius.

## Spąstai

Lock išsprendžia race, bet įneša naujų rizikų: **deadlock** (gijos laukia viena kitos lock), **priority inversion** ir **contention** (gijos serializuojasi, žlugdydamos lygiagretumą). Nykščio taisyklė: laikykite kritines sekcijas **trumpas** ir visada įsigykite kelis lock **nuosekliu globaliu eiliškumu**.

## Kodėl tai svarbu

Lygiagretumo klaidos yra tarp sunkiausiai randamų — jos nedeterministinės ir dažnai išnyksta po debugger. Interviuotojai nori pamatyti, kad galite *pastebėti* kritinę sekciją, pasirinkti tinkamą primityvą (mutex vs semaphore vs atomic) ir samprotauti apie gedimo režimus (deadlock, contention). Tai tiesiogiai taikoma bet kuriam daugiagijui serveriui, bendram cache ar skaitikliui.

Problema: race condition

Įrankiai

Spąstai

Kodėl tai svarbu

Susiję klausimai