Apakah itu race condition, dan bagaimana mutex dan semaphore menghalangnya?

Question

IT Interview Practice · Accepted Answer

Apabila banyak thread berkongsi data, operasi mereka boleh berselang-seli (interleave) di tengah-tengah kemas kini berbilang langkah, menghasilkan race condition — bug yang hasilnya bergantung pada pemasaan yang tidak dapat diramal. Penyegerakan (synchronization) ialah set alat yang memaksa penyusunan yang selamat.

Masalah: race condition

kelihatan atomic tetapi sebenarnya baca-ubah-tulis (read-modify-write):

## Masalah: race condition

`count++` kelihatan atomic tetapi sebenarnya baca-ubah-tulis (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         ┘
```

Tetingkap antara membaca dan menulis ialah **critical section** — kod yang menyentuh keadaan dikongsi dan tidak boleh berjalan serentak.

## Alat-alatnya

- **Mutex (lock)** — pengecualian bersama (mutual exclusion): hanya satu thread memegangnya pada satu masa; yang lain tersekat sehingga ia dilepaskan. Balut critical section:

```c
pthread_mutex_lock(&m);
count++;                 // critical section — eksklusif
pthread_mutex_unlock(&m);
```

- **Semaphore** — kaunter yang membenarkan sehingga *N* pemegang serentak. Semaphore binari (N=1) bertindak seperti lock; counting semaphore menghadkan, contohnya, connection pool pada N pengguna. Juga digunakan untuk **isyarat (signaling)** antara thread (producer/consumer).
- **Condition variable** — membenarkan thread tidur sehingga sesuatu predikat menjadi benar (cth. "queue tidak kosong"), terjaga tanpa busy-wait.
- **Operasi atomic** — arahan perkakasan seperti compare-and-swap (CAS) yang melakukan baca-ubah-tulis secara tak terbahagi, membolehkan kaunter lock-free.

## Perangkap

Lock menyelesaikan race tetapi memperkenalkan risiko baharu: **deadlock** (thread menunggu lock satu sama lain), **priority inversion**, dan **contention** (thread menjadi bersiri, membunuh keselarian). Petua umum: kekalkan critical section **pendek**, dan sentiasa peroleh berbilang lock dalam **susunan global yang konsisten**.

## Mengapa ia penting

Bug keselarian (concurrency) antara yang paling sukar dicari — ia tak berketentuan dan sering hilang di bawah nyahpepijat. Penemu duga mahu melihat anda boleh *mengesan* critical section, memilih primitif yang betul (mutex lawan semaphore lawan atomic), dan menaakul mod kegagalan (deadlock, contention). Ini terpakai secara langsung kepada mana-mana server berbilang thread, cache dikongsi, atau kaunter.

Masalah: race condition

Alat-alatnya

Perangkap

Mengapa ia penting

Soalan berkaitan