Что такое взаимное исключение?

Взаимное исключение (mutual exclusion) — это механизм или протокол, используемый для предотвращения одновременного доступа к общему ресурсу (например, переменной, файлу или блоку памяти) со стороны нескольких конкурирующих потоков или процессов. Это необходимо для обеспечения целостности данных и предотвращения состояния гонки (race condition), когда результат операции зависит от порядка выполнения неконтролируемых событий.

Основная идея взаимного исключения заключается в том, что в любой момент времени только один поток или процесс может получить доступ к критической секции — участку кода, который работает с общим ресурсом.

Типичные механизмы для реализации взаимного исключения в Java:

1. synchronized ключевое слово:

   • Может быть применено к методам или блокам кода.
   • Методы метки экземплярного метода синхронизируются по объекту-экземпляру.
   • Методы метки статического метода синхронизируются по объекту Class.
   • Блоки кода синхронизируются по указанному объекту-монитору.

   java

2. Классы из пакета java.util.concurrent.locks:

   • Предоставляют более гибкие и мощные средства, чем synchronized.
   • Примеры: ReentrantLock, StampedLock, ReadWriteLock.
   • Позволяют явно управлять блокировкой (захват/освобождение).

   java

3. Атомарные переменные (java.util.concurrent.atomic):

   • Предоставляют потокобезопасные операции (такие как инкремент, декремент, сравнение и обмен) над одиночными значениями без явной блокировки.
   • Используют низкоуровневые аппаратные инструкции, такие как Compare-and-Swap (CAS).
   • Примеры: AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference.

   java

Выбор механизма зависит от конкретных требований: простоты (synchronized), гибкости (Locks) или производительности для простых операций (Atomic).

Неправильное использование механизмов взаимного исключения может привести к проблемам, таким как:

• Взаимная блокировка (Deadlock): Два или более потока ожидают ресурсы, которые удерживают друг друга.
• Голодание (Starvation): Поток не может получить доступ к ресурсу, потому что другие потоки постоянно его захватывают.
• Неправильный порядок (Livelock): Потоки постоянно меняют свое состояние в ответ друг на друга, но не могут выполнить полезную работу.