Kāpēc notiek pavedienu sacensības un kā ar to cīnīties?

Riteņu apstākļi (race conditions) rodas, kad vairāki pavedieni vienlaikus piekļūst kopīgiem mainīgajiem datiem, un galīgais rezultāts ir atkarīgs no to izpildes secības. Problēma ir tā, ka pavedienu plānotājs var pārslēgt pavedienu jebkurā brīdī, un operācija ar datiem, kas kodā šķiet kā atomiska, var tikt pārtraukta un pildīta daļēji ar citiem pavedieniem.

Cīņa ar pavedienu sacīkstēm ir nodrošināt pareizu piekļuvi kopīgiem resursiem. Galvenās metodes:

• Sinhronizācija: ierobežo vienlaicīgu piekļuvi kritiskajām koda sekcijām, kurās tiek izmantoti kopīgi dati. Populāri mehānismi:

  • synchronized atslēgas vārds: nodrošina bloķēšanu uz objekta vai klases līmeņa.

  // Bloķēšana uz objekta līmeņa
  synchronized (this) {
      // Kritiskā sekcija
      sharedData++;
  }
  
  // Bloķēšana uz klases līmeņa
  synchronized (MyClass.class) {
      // Kritiskā sekcija
      sharedStaticData++;
  }
  

  • Tieši bloķēšanas mehānismi (Lock interfeiss, ReentrantLock): sniedz lielāku elastību, piemēram, mēģinot iegūt bloķēšanu vai iegūt to ar laika ierobežojumu.

  Lock lock = new ReentrantLock();
  // ...
  lock.lock(); // Iegūt bloķēšanu
  try {
      // Kritiskā sekcija
      sharedData++;
  } finally {
      lock.unlock(); // Atbrīvot bloķēšanu (obligāti finally)
  }
  

• Atomāras operācijas: izmantojot java.util.concurrent.atomic paketes klases, kas nodrošina atomāras operācijas (piemēram, inkrementāciju, salīdzināšanu un maiņu) bez tiešas bloķēšanas.

  import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
  
  AtomicInteger atomicCounter = new AtomicInteger(0);
  // ...
  atomicCounter.incrementAndGet(); // Atomārais palielinājums
  

• Pavedienu drošas kolekcijas: izmantojot java.util.concurrent paketes kolekcijas (piemēram, ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList), kas ir paredzētas darbam daudzpavedienu vidē.

• Nemainīgi dati (Immutable objects): ja dati pēc izveides nevar tikt mainīti, daudzlīmeņu piekļuve tiem neradīs sacīkšu apstākļus.

• Pavedienu vietējā glabātuve (Thread-Local Storage): katrs pavediens ir ar savu kopiju, novēršot kopīgas piekļuves problēmas.

Izvēle ir atkarīga no konkrētās situācijas un prasītā sinhronizācijas līmeņa. Pārmērīga sinhronizācija var radīt ievērojamus izdevumus un pat deadlockus.