День 2219. #ЗаметкиНаПолях
Правильно Имитируем Состояние Гонки в C#
Состояния гонки являются одной из самых сложных и неуловимых ошибок в многопоточном программировании. Они возникают, когда несколько потоков одновременно получают доступ к общим данным и изменяют их, что приводит к непредсказуемым результатам. Рассмотрим, как намеренно создать состояние гонки и проанализируем, почему это происходит.

Вот упрощённый пример транзакций по банковскому счёту. В этом примере несколько пользователей одновременно пытаются снять деньги. Если возникает состояние гонки, мы можем увидеть неправильный конечный баланс, например отрицательное значение, указывающее на то, что несколько потоков сняли деньги одновременно без надлежащей синхронизации. Если состояния гонки не возникнет, мы ожидаем, что конечный баланс будет равен 0 после завершения всех снятий:

var acc = new BankAccount(1000);
int threadCount = 15;
var threads = new Thread[threadCount];

for (int i = 0; i < threadCount; i++)
{
  threads[i] = new Thread(() => acc.Withdraw(100));
  threads[i].Start();
}

foreach (var thread in threads)
  thread.Join();

Console.WriteLine($"Итого: {acc.GetBalance()} (Ожидается: 0 или <0 при состоянии гонки)");


class BankAccount(int initial)
{
  private int _balance = initial;

  public int GetBalance() => _balance;

  public void Withdraw(int amount)
  {
    if (_balance > 0)
      _balance -= amount;
  }
}

Здесь состояние гонки может возникнуть не только между проверкой баланса и изменением его значения. Даже операция изменения неатомарна. Поток должен: прочитать значение, уменьшить его на amount и сохранить обновлённое значение обратно.

Гарантировано ли в этом случае возникновение состояния гонки? Нет, из-за планирования потоков, выделения ресурсов ЦП и оптимизации памяти.

Планирование потоков недетерминировано
Планировщик ОС решает, когда переключаться между потоками, что означает, что порядок выполнения непредсказуем. Иногда один поток может завершить все свои операции до того, как другой даже начнётся, что снижает конкуренцию. В других случаях два или более потоков могут выполнять _balance -= amount одновременно, что приводит к потере обновлений или повреждению значений.

Скорость ЦП и распределение ядер
Если ЦП переключает контекст слишком медленно, один поток может завершить несколько операций, прежде чем другой поток получит возможность выполниться, что фактически исключает возможность чередующегося выполнения. Кроме того, если ЦП планирует каждый поток на отдельное ядро, операции могут выполняться последовательно, а не чередоваться, что ещё больше снижает вероятность возникновения состояния гонки.

Оптимизация JIT и переупорядочение памяти
JIT-компилятор в .NET может оптимизировать выполнение кода по-разному между запусками. Это означает, что даже идентичный код может давать разные результаты в зависимости от того, как компилятор решает оптимизировать доступ к памяти. Кроме того, современные процессоры могут переупорядочивать записи в память, что означает, что обновления, сделанные одним потоком, могут не быть немедленно видны другому, что иногда предотвращает или откладывает ожидаемые конфликты.

Очевидно, это означает, что хотя состояния гонки могут возникать, они не гарантируются каждый раз при запуске программы.

Окончание следует…

Источник: https://dev.to/thecodewrapper/how-to-properly-simulate-a-race-condition-in-c-37o8