
竞态条件(race condition)是指在并发编程中,多个线程或进程在没有进行适当同步的情况下,访问和操作同一个共享数据,导致最终结果的正确性依赖于线程执行的时序。由于线程执行的顺序不确定,可能导致程序行为不可预测,产生错误的结果。
竞态条件通常发生在以下场景:
在提供的初始多线程求和示例中,程序旨在将1到1000的整数分成5个区间,由5个线程分别计算各自区间的和,然后将这些局部和汇总得到最终结果。尽管使用了多线程,但该示例并未产生竞态条件,总是能得到正确的结果500500。
public class SyncDemo1 {
public static void main(String[] args) {
new SyncDemo1().startThread();
}
private void startThread() {
// ... (省略部分初始化代码) ...
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
MyThread thread1 = new MyThread(num, 1, 200);
MyThread thread2 = new MyThread(num, 201, 400);
// ... (其他线程初始化) ...
executor.execute(thread1);
executor.execute(thread2);
// ... (其他线程执行) ...
executor.shutdown();
while (!executor.isTerminated()) { } // 等待所有任务完成
// 汇总各个线程的局部和
int totalSum = thread1.getSum() + thread2.getSum() + thread3.getSum() + thread4.getSum() + thread5.getSum();
System.out.println(totalSum);
}
private static class MyThread implements Runnable {
private int[] num;
private int from, to, sum; // 每个线程拥有独立的sum变量
public MyThread(int[] num, int from, int to) {
this.num = num;
this.from = from;
this.to = to;
sum = 0; // 初始化局部和
}
public void run() {
for (int i = from; i <= to; i++) {
sum += i; // 修改的是线程私有的sum变量
}
// pause(); // 原始代码中的暂停操作,对竞态条件无直接影响
}
public int getSum() {
return this.sum; // 返回线程私有的局部和
}
}
}原因分析:
竞态条件发生的关键在于“共享可变状态”。在上述SyncDemo1示例中,每个MyThread实例都拥有一个独立的sum变量。当线程执行sum += i;操作时,它修改的是自己实例内部的sum字段,而不是一个被所有线程共享的公共sum变量。因此,各个线程之间不存在对同一个sum变量的竞争,它们只是独立地计算各自区间的和。最终,主线程在所有子线程完成后,将这些独立的局部和进行累加,自然会得到正确的结果。
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这表明,即使在多线程环境下,如果每个线程都只操作自己的私有数据,或者只读取共享数据而不修改它,就不会发生竞态条件。
为了演示竞态条件,我们需要创建一个明确的共享可变状态,并让多个线程对其执行非原子性的修改操作。以下是一个经典的竞态条件演示示例,它使用一个共享的int类型计数器,并让多个线程对其进行递增和递减操作。
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
class RaceConditionDemo implements Runnable {
private int counter = 0; // 共享的可变状态
public void increment() {
try {
// 引入短暂延迟,增加线程上下文切换的可能性,从而更容易暴露竞态条件
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
counter++; // 非原子操作:读取 counter,递增,写回 counter
}
public void decrement() {
counter--; // 非原子操作:读取 counter,递减,写回 counter
}
public int getValue() {
return counter;
}
@Override
public void run() {
this.increment();
System.out.println("Value for Thread After increment "
+ Thread.currentThread().getName() + " " + this.getValue());
this.decrement();
System.out.println("Value for Thread at last "
+ Thread.currentThread().getName() + " " + this.getValue());
}
public static void main(String args[]) {
RaceConditionDemo sharedCounter = new RaceConditionDemo(); // 共享同一个实例
Thread t1 = new Thread(sharedCounter, "Thread-1");
Thread t2 = new Thread(sharedCounter, "Thread-2");
Thread t3 = new Thread(sharedCounter, "Thread-3");
Thread t4 = new Thread(sharedCounter, "Thread-4");
Thread t5 = new Thread(sharedCounter, "Thread-5");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
t4.start();
t5.start();
}
}示例分析:
可能的输出示例:
Value for Thread After increment Thread-3 5 Value for Thread After increment Thread-5 5 Value for Thread After increment Thread-1 5 Value for Thread After increment Thread-2 5 Value for Thread at last Thread-2 1 Value for Thread After increment Thread-4 5 Value for Thread at last Thread-1 2 Value for Thread at last Thread-5 3 Value for Thread at last Thread-3 4 Value for Thread at last Thread-4 0
从上述输出可以看出,"Value for Thread After increment" 消息可能连续打印,表明多个线程在递增操作的某个阶段并发执行,并且在它们各自完成递减操作之前,counter 的值已经发生了多次变化。最终,counter 的值在各个线程完成操作后也可能不是预期的0。这种不一致性正是竞态条件的体现。
理解并能够识别和演示竞态条件是进行健壮多线程编程的基础。通过上述示例,我们希望开发者能更深刻地理解竞态条件的本质及其在实际编程中的表现。
以上就是Java多线程竞态条件:理解与实验演示的详细内容,更多请关注php中文网其它相关文章!
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