Kaj so race conditions in kako jih mutexi ter semaforji preprečujejo?

Question

IT Interview Practice · Accepted Answer

Ko si več niti deli podatke, se njihove operacije lahko prepletejo (interleave) sredi večkoračne posodobitve in povzročijo race condition — hrošč, kjer je izid odvisen od nepredvidljivega časovnega usklajevanja. Sinhronizacija je nabor orodij, ki vsilijo varen vrstni red.

Težava: race condition

je videti atomaren, a je v resnici branje-spreminjanje-pisanje (read-modify-write):

## Težava: race condition

`count++` je videti atomaren, a je v resnici branje-spreminjanje-pisanje (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         ┘
```

Okno med branjem in pisanjem je **kritični odsek (critical section)** — koda, ki se dotika deljenega stanja in se ne sme izvajati sočasno.

## Orodja

- **Mutex (lock)** — medsebojno izključevanje (mutual exclusion): naenkrat ga drži le ena nit; druge se blokirajo, dokler ni sproščen. Ovijte kritični odsek:

```c
pthread_mutex_lock(&m);
count++;                 // kritični odsek — ekskluzivno
pthread_mutex_unlock(&m);
```

- **Semaphore** — števec, ki dopušča do *N* sočasnih imetnikov. Binarni semafor (N=1) deluje kot lock; števni semafor omeji npr. connection pool na N uporabnikov. Uporablja se tudi za **signaliziranje** med nitmi (producer/consumer).
- **Condition variable** — omogoči niti, da spi, dokler predikat ne postane resničen (npr. "vrsta ni prazna"), in se zbudi brez busy-waitinga.
- **Atomic operations** — strojni ukazi, kot je compare-and-swap (CAS), ki nedeljivo izvedejo branje-spreminjanje-pisanje in omogočijo števce brez ključavnic (lock-free).

## Pasti

Ključavnice rešijo race, a uvedejo nova tveganja: **deadlock** (niti čakajo druga na ključavnice druge), **priority inversion** (obrat prioritet) in **contention** (tekmovanje — niti se serializirajo in ubijejo vzporednost). Pravilo palca: kritične odseke ohranjajte **kratke** in več ključavnic vedno pridobivajte v **doslednem globalnem vrstnem redu**.

## Zakaj je to pomembno

Sočasnostni hrošči (concurrency) sodijo med najtežje za odkrivanje — so nedeterministični in pogosto izginejo pod razhroščevalnikom. Spraševalci želijo videti, da znate *opaziti* kritični odsek, izbrati pravi primitiv (mutex proti semaforju proti atomic) in sklepati o načinih odpovedi (deadlock, contention). To velja neposredno za vsak večnitni strežnik, deljeni cache ali števec.

Težava: race condition

Orodja

Pasti

Zakaj je to pomembno

Povezana vprašanja