并发编程 竞态条件

什么是竞态条件？竞态条件是指多个进程（线程、协程）读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的准确时序。也就是当多个进程（线程、协程）竞争同一资源时，如果对资源的访问顺序敏感，就称存在竞态条件。

在一般的操作系统中，不同的进程可能会分享一块公共的存储区域，例如内存或者是硬盘上的文件，这些进程都允许在这些区域上进行读写。

操作系统有一些职责，来协调这些使用公共区域的进程之间以正确的方式进行想要的操作。这些进程之间需要通信，需要互相沟通，有商有量，才能保证一个进程的动作不会影响到另外一个进程正常的动作，进而导致进程运行后得不到期望的结果。在操作系统概念中，通常用 IPC（Inter Process Communication，即进程间通信）这个名词来代表多个进程之间的通信。

为了解释什么是竞态条件（race condition），我们引入一个简单的例子来说明：

一个文件中保存了一个数字 n，进程 A 和进程 B 都想要去读取这个文件的数字，并把这个数字加 1 后，保存回文件。假设 n 的初始值是 0，在我们理想的情况下，进程 A 和进程 B 运行后，文件中 n 的值应该为 2，但实际上可能会发生 n 的值为 1。我们可以考量一下，每个进程做这件事时，需要经过什么步骤：

• 读取文件里 n 的值；
• 令 n = n + 1；
• 把新的 n 值保存回文件。

在进一步解释竞态条件之前，必须先回顾操作系统概念中的几个知识点：

• 进程是可以并发运行的，即使只有一个 CPU；
• 操作系统的时钟中断会引起进程运行的重新调度；
• 除了时钟中断，来自其它设备的中断也会引起进程运行的重新调度。

假设进程 A 在运行完步骤 1 和 2，但还没开始运行步骤 3 时，发生了一个时钟中断，这个时候操作系统通过调度，让进程 B 开始运行，进程 B 运行步骤 1 时，发现 n 的值为 0，于是它运行步骤 2 和 3，最终会把 n = 1 保存到文件中。之后进程 A 继续运行时，由于它并不知道在它运行步骤 3 之前，进程 B 已经修改了文件里的值，所以进程 A 也会把 n = 1 写回到文件中。这就是问题所在，进程 A 在运行的过程中，会有别的进程去操作它所操作的数据。

所以，唯一能让 n = 2 的方法，只能期望进程 A 和进程 B 按顺序分别完整地运行完所有步骤。

我们可以给竞态条件下一个定义：

两个或者多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的准确时序，称为竞态条件。 在上述的文字中，我们使用进程作为对象来讨论竞态条件，实际上对于线程也同样适用，这里的线程包含但不限于内核线程、用户线程。因为在操作系统中，进程其实是依靠线程来运行程序的。