Почему возникают гонки потоков и какие способы борьбы с ними существуют?

Гонки потоков (race conditions) возникают, когда несколько потоков одновременно обращаются к общим изменяемым данным, и результат выполнения зависит от порядка их выполнения. Это происходит, потому что операционная система может переключать потоки в любой момент, прерывая их выполнение.

Способы борьбы:

• Синхронизация: Использование примитивов синхронизации для обеспечения эксклюзивного доступа к общим ресурсам.

  • synchronized ключевое слово: Применяется к методам или блокам кода. Блокирует доступ к объекту или классу для других потоков, пока текущий поток не завершит выполнение синхронизированного блока/метода.

    // Синхронизация метода
    public synchronized void updateData(int newValue) {
        // ... обновление общих данных
    }
    
    // Синхронизация блока кода1
    public void processData() {
        synchronized (this) { // Или любой другой объект-монитор
            // ... доступ к общим данным
        }
    }
    

  • Блокировки (Lock): Предоставляют более гибкий контроль над синхронизацией по сравнению с synchronized.

    import java.util.concurrent.locks.Lock;
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
    
    private final Lock dataLock = new ReentrantLock();
    
    public void safeUpdateData(int newValue) {
        dataLock.lock(); // Захват блокировки
        try {
            // ... обновление общих данных
        } finally {
            dataLock.unlock(); // Освобождение блокировки
        }
    }
    

• Атомарные переменные (Atomic...): Предоставляют потокобезопасные операции над примитивными типами без явной блокировки. Используется для простых операций (инкремент, сравнение и обмен).

  import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
  
  private final AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
  
  public void incrementCounter() {
      counter.incrementAndGet(); // Атомарное увеличение
  }
  

• Потокобезопасные коллекции: Использование специальных коллекций из пакета java.util.concurrent (например, ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList), которые разработаны для многопоточного доступа.

  import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
  import java.util.Map;
  
  private final Map<String, Integer> safeMap = new ConcurrentHashMap<>();
  

• Неизменяемые (Immutable) объекты: Если данные не изменяются после создания, то к ним можно безопасно обращаться из нескольких потоков без синхронизации.

• Локальные переменные потока (ThreadLocal): Каждому потоку выделяется своя копия переменной, что исключает конкуренцию за доступ.

  private final ThreadLocal<Integer> threadId = new ThreadLocal<>();
  
  public void setThreadId() {
      threadId.set(Thread.currentThread().getId());
  }
  
  public int getThreadId() {
      return threadId.get();
  }
  

• Правильное проектирование архитектуры: Минимизация общих изменяемых данных и использование асинхронных подходов или передачи сообщений между потоками может снизить вероятность возникновения гонок.