Кратко — что происходит и как это исправить.
1) Почему проблемa (состояния гонки)
- Операция `c++` не атомарна: она раскрывается как чтение, инкремент и запись — условно $R(c)$; вычисление $R(c)+1$; запись $W(c)$.
- Пример потерянного инкремента (две нити, изначально $c=0$):
- Thread A: $R(c)=0$ - Thread B: $R(c)=0$ - Thread A: $W(c)=1$ - Thread B: $W(c)=1$ Итог $c=1$ вместо ожидаемых $2$.
- Кроме потерянных обновлений есть проблемы видимости и переупорядочения — одна нить может не увидеть результат другой без надлежащей синхронизации.
2) Варианты синхронизации и когда применять
- synchronized
- Как:
- метод: `synchronized void inc() { c++; }`
- или блок: `synchronized(this) { c++; }`
- Плюсы: простая, корректная (атомарность + видимость), полезна если надо защищать несколько связанных операций/полей.
- Минусы: блокирующая, контекстные переключения при ожидании, меньшая пропускная способность при высоком контеншене.
- Когда предпочесть: когда инкремент входит в состав более сложной секции (несколько действий должны быть атомарны) или когда количество нитей/частота операций невысоки и важна простота/правильность.
- AtomicInteger (CAS, неблокирующий)
- Как: `AtomicInteger ai = new AtomicInteger(0); ai.incrementAndGet();`
- Плюсы: неблокирующий (lock-free), выше производительность при низко‑ и среднеконтентных нагрузках; прост в использовании для одиночной атомарной операции.
- Минусы: при сильном контеншене CAS‑петли могут часто проигрывать (много повторных попыток), возможны дорогостоящие циклы повторов; не подходит, если нужно атомарно менять несколько полей одновременно.
- Когда предпочесть: когда требуется только атомарный инкремент/доступ к одному счетчику и важна производительность при конкурентном доступе.
- Ручной lock‑free (CAS‑loop) / VarHandle
- Как: `while (true) { int prev = ai.get(); if (ai.compareAndSet(prev, prev+1)) break; }` или `VarHandle.getAndAdd(...)`.
- Плюсы: гибкость (можно реализовать композитные алгоритмы без блокировки), позволяет строить нестандартные неблокирующие структуры.
- Минусы: сложно правильно и эффективно написать для сложных случаев; всё ещё подвержено затратам при сильном контеншене; сложность отладки.
- Когда предпочесть: когда нужно специфическое неблокирующее поведение, которое нельзя выразить стандартными атомиками, и вы готовы к сложности реализации.
- LongAdder / LongAccumulator (для больших нагрузок)
- Как: `LongAdder la = new LongAdder(); la.increment();`
- Плюсы: специализировано для частых инкрементов от множества нитей — использует "stripe" (несколько ячеек) для уменьшения конфликтов, значительно выше пропускная способность при высоком контеншене.
- Минусы: чтение `sum()` дороже и может давать слегка устаревшее значение при одновременных обновлениях; не даёт атомарной операции «прочитать и тут же обновить» в смысле единичной памяти.
- Когда предпочесть: очень частые инкременты от многих нитей и редкие чтения итогового значения (метрики, счетчики).
- ReentrantLock / tryLock
- Как: `lock.lock(); try { c++; } finally { lock.unlock(); }`
- Плюсы: больше контроля (tryLock, условие, fairness), поведение как synchronized, но более гибкое.
- Минусы: блокирующий; сложнее, чем synchronized.
- Когда: когда нужна функциональность, отсутствующая в synchronized (fairness, tryLock, condition).
3) Рекомендации практические
- Если единственная операция — простой инкремент/чтение: используйте `AtomicInteger` или `LongAdder` (для очень высокой нагрузки).
- Если инкремент — часть более сложной атомарной секции (несколько полей, логика): используйте `synchronized` или `ReentrantLock`.
- Если требуются очень высокие требования по пропускной способности и вы готовы к усложнению: рассматривайте `LongAdder` или собственные lock‑free алгоритмы/VarHandle.
4) Дополнительно
- volatile само по себе не решает проблему, т.к. `c++` остаётся неатомарным.
- Нужно также учитывать переполнение (обычное поведение int), семантику чтения при конкурентных обновлениях и требования к точности (например, LongAdder может быть приемлем только если небольшая рассинхронизация при чтении допустима).
Если нужно, могу дать конкретные короткие примеры кода для каждого варианта.