Гонка (race)
- Суть: два или более потока/процесса одновременно обращаются к общей памяти, и хотя бы одно обращение — запись; результат зависит от порядка выполнения и может быть некорректным или неопределённым.
- Пример: неблокированный инкремент счётчика: $x=x+1$. При двух потоках ($2$) возможны потерянные обновления.
- Предотвращение:
- использовать атомарные операции (например, атомарный инкремент / CAS),
- защищать доступ мьютексом/критической секцией,
- делать данные неизменяемыми (immutable) или копировать при записи,
- уменьшать область критической секции (lock granularity).
- Отладка и обнаружение:
- динамические инструменты: ThreadSanitizer, Helgrind/Valgrind,
- статический анализ и ревью (поиск общих переменных без синхронизации),
- логирование/траккинг с временными метками, трассировщики событий.
Взаимоблокировка (deadlock)
- Суть: набор потоков/процессов навсегда ждёт освобождения ресурсов друг от друга — ни один не может продолжить.
- Классические необходимые условия (Coffman): взаимное исключение, удержание и ожидание, отсутствие принудительного отъёма ресурса, циклическое ожидание.
- Пример: поток A держит мьютекс $M_1$ и ждёт $M_2$, поток B держит $M_2$ и ждёт $M_1$.
- Предотвращение:
- жёсткий порядок захвата ресурсов (always acquire in increasing order),
- брать все ресурсы атомарно (try-acquire all / transaction),
- разрешать принудительное освобождение (preemption) или тайм-ауты,
- использовать структурированные примитивы (lock hierarchies, concurrent collections).
- Отладка и обнаружение:
- анализ графа ожиданий (wait-for graph) — циклы означают deadlock,
- runtime deadlock detectors (ядро/ядро-модули вида lockdep в Linux),
- дампы потоков и стеков (thread dumps) в момент зависания,
- воспроизведение с уменьшением степени параллелизма или инструментами детерминированного сниффинга.
Состязание за порядок (livelock)
- Суть: поток/процесс не блокируется, но постоянно меняет состояние в ответ на другие, и система не прогрессирует (взаимное «уходение в сторону»).
- Пример: два потока вежливо освобождают ресурс навстречу друг другу: оба замечают конфликт, откатываются и повторяют — ни один не делает полезной работы. Или алгоритм с бесконечными повторными попытками без прогресса.
- Предотвращение:
- вводить случайность (randomized backoff) — экспоненциальный backoff $2^k$,
- детерминированная приоритизация (назначить приоритет одному участнику),
- ограничить число попыток и использовать альтернативный путь (fallback),
- мониторинг прогресса и глобальные таймауты/уровни.
- Отладка и обнаружение:
- подробные трассы состояний и метрики прогресса (ops/sec, latency),
- симуляция/моделирование взаимодействий с малой нагрузкой,
- добавление счётчиков совершённой полезной работы и алармов при отсутствии прироста.
Специфические практики для распределённых систем
- Использовать таймауты и повторные попытки с backoff; делать операции идемпотентными.
- Координация через кворумы/алгоритмы консенсуса (Raft/Paxos) вместо блокировок.
- Логирование распределённых трасс (trace ids, OpenTelemetry/Jaeger) и анализ «следа» запросов.
- Использовать детерминированную репликацию или инструменты для воспроизведения (record & replay) для отладки.
Краткий чек-лист для практики
- для гонок — атомарность/мьютексы/TSAN;
- для deadlock — упорядочивание ресурсов / таймауты / детектор циклов;
- для livelock — случайность/приоритеты/ограничения попыток и мониторинг прогресса.
Если нужно, могу привести короткий минимальный пример кода (с синхронизацией и без) для иллюстрации каждого случая.