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前言

這幾天學(xué)習(xí)并發(fā)編程,race-conditions-and-critical-sections,翻譯一下，寫(xiě)點(diǎn)自己的筆記并加上點(diǎn)個(gè)人的理解。

網(wǎng)頁(yè)中里中提到兩個(gè)名詞Race Condition 和 Critical Section，接下來(lái)對(duì)他們進(jìn)行解釋和例子演示。

Race Condition

在多線(xiàn)程場(chǎng)景下，當(dāng)多個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)同一塊資源，且執(zhí)行結(jié)果與線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)的先后順序相關(guān)，即表明這里面存在著Race Condition，中文翻譯即競(jìng)爭(zhēng)條件。

看下面??的代碼,多個(gè)線(xiàn)程都會(huì)調(diào)用add方法對(duì)同一個(gè)count值進(jìn)行加法。

  public class Counter {

     protected long count = 0;

     public void add(long value){
         this.count = this.count + value;
     }
  }

然而,add方法中的加法需要好幾個(gè)步驟才能完成。

1. 從內(nèi)存中讀取count的值到寄存器。
2. 加value。
3. 寫(xiě)回內(nèi)存。

如果有兩個(gè)線(xiàn)程都對(duì)add方法進(jìn)行了操作，比如線(xiàn)程A加3,線(xiàn)程B加2,我們的預(yù)期結(jié)果是5。由于線(xiàn)程的訪(fǎng)問(wèn)順序以及切換的時(shí)間是不可預(yù)期的,在特定的訪(fǎng)問(wèn)順序下，可能出現(xiàn)一些出乎意料的結(jié)果,比如下文中的執(zhí)行順序。

A:  Reads this.count into a register (0)
B:  Reads this.count into a register (0)
B:  Adds value 2 to register
B:  Writes register value (2) back to memory. this.count now equals 2
A:  Adds value 3 to register
A:  Writes register value (3) back to memory. this.count now equals 3

由于加法不是原子性的，在加法執(zhí)行過(guò)程中的每一步都可能存在著線(xiàn)程切換。
比如線(xiàn)程A和B都先后讀到0,然后線(xiàn)程B占用了時(shí)間片完成了加2的操作,寫(xiě)回了內(nèi)存，此時(shí)內(nèi)存中count的值等于2。
然后線(xiàn)程A重新得到調(diào)度，此時(shí)線(xiàn)程A內(nèi)部的count值還是0,線(xiàn)程A對(duì)主內(nèi)存內(nèi)count的變化是不可見(jiàn)的,然后線(xiàn)程完成加3操作，寫(xiě)回內(nèi)存，此時(shí)count值等于3。

上述代碼中的add方法內(nèi)部就存在著競(jìng)爭(zhēng)條件，會(huì)根據(jù)線(xiàn)程執(zhí)行順序的不確定性影響最后的執(zhí)行結(jié)果。

Critical Section

我們把會(huì)導(dǎo)致Race Condition的區(qū)域稱(chēng)為Critical Section,中文翻譯臨界區(qū)。臨界區(qū)即每個(gè)線(xiàn)程中訪(fǎng)問(wèn)臨界資源的那段代碼。

在上文的代碼中,this.count就是臨界資源

this.count = this.count + value

就是臨界區(qū),為了保證執(zhí)行結(jié)果的正確性,避免臨界區(qū)內(nèi)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)條件,我們需要確保臨界區(qū)內(nèi)的執(zhí)行是原子的,每次僅允許一個(gè)線(xiàn)程進(jìn)去,進(jìn)入后不允許其他線(xiàn)程進(jìn)入。

我們可以采用線(xiàn)程同步做到以上的要求，線(xiàn)程同步可以使用synchronized同步代碼,或者locks,或者是原子變量比如AtomicInteger等。

可以把整個(gè)臨界區(qū)使用synchronized同步，但把臨界區(qū)拆分成多個(gè)小的臨界區(qū)能夠降低對(duì)共享資源的爭(zhēng)奪，增加整個(gè)臨界區(qū)的吞吐量,下面舉個(gè)例子。

public class TwoSums {
    
    private int sum1 = 0;
    private int sum2 = 0;
    
    public void add(int val1, int val2){
        synchronized(this){
            this.sum1 += val1;   
            this.sum2 += val2;
        }
    }
}

在上述代碼中,簡(jiǎn)單的做法就是鎖住整個(gè)對(duì)象,只有一個(gè)線(xiàn)程能夠執(zhí)行兩個(gè)不同變量的加法操作。然而，由于這兩個(gè)變量是互相獨(dú)立的，可以拆分到兩個(gè)不同的synchronized塊中。

public class TwoSums {
    
    private int sum1 = 0;
    private int sum2 = 0;

    private Integer sum1Lock = new Integer(1);
    private Integer sum2Lock = new Integer(2);

    public void add(int val1, int val2){
        synchronized(this.sum1Lock){
            this.sum1 += val1;   
        }
        synchronized(this.sum2Lock){
            this.sum2 += val2;
        }
    }
}

改動(dòng)后，兩個(gè)線(xiàn)程可以同時(shí)在add方法中操作，一個(gè)線(xiàn)程在第一個(gè)synchronized塊，另一個(gè)線(xiàn)程在第二個(gè)synchronized塊，兩個(gè)synchronized塊同步的是不同的對(duì)象，所以?xún)蓚€(gè)線(xiàn)程可以獨(dú)立執(zhí)行，整體線(xiàn)程等待的時(shí)間會(huì)變少，吞吐量能夠得到提升。