Проблемы при синхронизации потоков. Тупики. Гонки.
К сожалению, простота создания потоков подчас "компенсируется" сложностью их применения. Две типичные проблемы, с которыми программист может столкнуться при работе с потоками, – это тупики (deadlocks) и гонки (race conditions).
Тупики
Вероятно, вы не раз наблюдали на трамвайной остановке следующую забавную картину (рис. 29.6).
Рис. 29.6. Ситуации тупиков возникают не только в программировании
Рисунок дает исчерпывающее пояснение ситуации тупиков. Тупики имеют место, когда поток ожидает ресурс, который в данный момент принадлежит другому потоку. Рассмотрим пример. Поток 1 захватывает ресурс А, и для того чтобы продолжать работу, ждет возможности захватить ресурс Б. В то же время Поток 2 захватывает ресурс Б и ждет возможности захватить ресурс А. Развитие этого сценария заблокирует оба потока; ни один из них не будет исполняться. Ресурсами могут выступать любые совместно используемые объекты системы – файлы, массивы в памяти, устройства ввода/вывода и т. п.
В ситуации на картинке три трамвая захватили по одному ресурсу (перекрестку) и пытаются захватить еще один, что, очевидно, невозможно без освобождения уже захваченных. В жизни ситуация разрешилась просто – самый молодой из водителей был вынужден отъехать. В информационных технологиях все бывает сложнее. Откройте любой документ, сопровождающий очередной пакет обновления к любой версии Windows. Очень часто там можно найти информацию об одной-двух исправленных ситуациях тупиков.
Гонки
Ситуация гонок возникает, когда два или более потока пытаются получить доступ к общему ресурсу и изменить его состояние. Рассмотрим следующий пример. Пусть Поток 1 получил доступ к ресурсу и изменил его в своих интересах; затем активизировался Поток 2 и модифицировал этот же ресурс до завершения Потока 1. Поток 1 полагает, что ресурс остался в том же состоянии, в каком был до переключения. В зависимости от того, когда именно был изменен ресурс, результаты могут варьироваться – иногда код будет выполняться нормально, иногда нет. Программисты не должны строить никаких гипотез относительно порядка исполнения потоков, т. к. планировщик ОС может запускать и останавливать их в любое время.
Inc(i); if i = iSomething then DoSomething;
Здесь i – глобальная переменная, доступная из обоих потоков. Пусть два или более потоков исполняют этот код одновременно. Поток 1 инкрементировал значение переменной i и хочет проверить ее значение для выполнения тех или иных условий. Но тут активизируется другой поток, который еще увеличивает значение i. В результате первый поток "проскакивает" мимо условия, которое, казалось бы, должно было быть выполнено.
Возникновения как ситуаций гонок, так и тупиков можно избежать, если использовать приемы, обсуждаемые ниже.