Кратко — что это, как найти и как исправить.
1) Что такое race condition
- Конкурентная ошибка (race) — когда два или более потока обращаются к общим данным так, что результат зависит от непредсказуемого порядка выполнения. Примеры симптомов: потерянные обновления, неконсистентные состояния, редкие «фантомные» ошибки и дедлоки.
2) Как обнаружить
- Репродукция: написать стресс-тест, многократно запускать с большим числом потоков и итераций (например, $10^6$ итераций) и проверять инварианты.
- Логирование и assert’ы: логировать вход/выход в критические места, проверять корректность после завершения.
- Дамп потоков: jstack, Java Flight Recorder / Mission Control — для дедлоков и блокировок.
- Статический анализ: SpotBugs/FindBugs, Error Prone, PMD, Checker Framework (@GuardedBy).
- Динамическое тестирование: jcstress (OpenJDK tool) для проверки малых конкурентных сценариев.
- Инструменты профилирования и трассировки конкуренции (конкретные продукты/плагины IDE или коммерческие профайлеры).
3) Причины — кратко о механике
- Видимость: один поток записал значение, другой — не видит (кеш/рордеринг).
- Атомарность: операция «чтение-modify-запись» (например, $a=a+1$ или $c++$) не атомарна.
- Переупорядочивание: компилятор/процессор могут менять порядок инструкций.
4) Правильные способы исправления (и когда что использовать)
- volatile
- Гарантирует видимость и предотвращает небезопасное переупорядочивание для простых операций чтения/записи одного поля.
- Подходит если вам нужно только, чтобы последний записанный в поле результат был виден другим потокам (флаги, статус).
- НЕ решает атомарность: $volatileintc;c++$ все ещё небезопасен.
- synchronized (включая методы)
- Обеспечивает взаимное исключение и видимость для операций, выполняемых внутри блока synchronized. Подходит для защиты составных операций и инвариантов.
- Пример:
- неверно: int c; void inc(){ c++; }
- исправление: synchronized void inc(){ c++; }
- Плюсы: проста, корректна; Минусы: может стать узким местом по производительности, риск дедлоков при неправильном использовании.
- java.util.concurrent (рекомендации)
- Атомарные типы: AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference — для атомарных операций без блокировок (incrementAndGet, compareAndSet).
- Высоконагруженные счётчики: LongAdder/LongAccumulator (лучше при высокой конкуренции).
- Коллекции: ConcurrentHashMap, ConcurrentLinkedQueue, CopyOnWriteArrayList — для безопасного доступа без внешней синхронизации.
- Блоки и замки: ReentrantLock, ReadWriteLock, StampedLock — дают больше контроля (tryLock, таймауты, справедливость).
- Синхронизирующие примитивы: CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore, Phaser — для координации потоков.
- Асинхронность: Executors, CompletableFuture, ForkJoinPool — структурируют параллелизм и помогают избегать явного шаринга mutable state.
5) Примеры (концептуально)
- Неправильно (потеря обновлений):
- int c = 0; void inc(){ c++; }
- Исправления:
- Atomic: AtomicInteger c = new AtomicInteger(); void inc(){ c.incrementAndGet(); }
- Synchronized: synchronized void inc(){ c++; }
- Double-checked locking (ленивая инициализация):
- Правильно: private volatile Singleton instance; public Singleton get(){ if (instance==null){ synchronized(this){ if (instance==null) instance = new Singleton(); } } return instance; }
- volatile здесь обязателен, иначе возможна частично инициализированная ссылка из-за переупорядочивания.
6) Практические советы / чеклист
- Минимизируйте общее состояние: по возможности делайте объекты immutable или конфайньте данные в поток.
- Отдавайте предпочтение готовым решениям из java.util.concurrent.
- Для простых видимых флагов используйте volatile, для составных изменений — synchronization/locks или атомарные структуры.
- Тестируйте многопоточно многократно и используйте jcstress для критичных участков.
- Используйте статический анализ и код-ревью с проверкой на @GuardedBy, неправильное использование volatile и т. п.
- Профилируйте и измеряйте: избегайте преждевременной оптимизации синхронизации, но исправляйте реальные гонки.
Коротко: volatile — для видимости одного поля; synchronized/ReentrantLock — для защиты составных операций и инвариантов; java.util.concurrent (Atomic*, Concurrent* коллекции, синхронизаторы, executors) — для эффективных, проверенных решений.