并发编程中的竞争条件

下面关于竞争条件的描述，来自《现代操作系统》

在一些操作系统中，协作的进程可能共享一些彼此都能读写的公用存储区。这个公用存储区可能在内存中（可能是在内核数据结构中），也可能是一个共享文件。这里共享存储区的位置并不影响通信的本质及其带来的问题。为了理解实际中进程间通信如何工作，我们考虑一个简单但很普遍的例子：一个假脱机打印程序。当一个进程需要打印一个文件时，它将文件名放在一个特殊的假脱机目录 （spooler directory）下。另一个进程（打印机守护进程）则周期性地检查是否有文件需要打印，若有就打印并将该文件名从目录下删掉。

设想假脱机目录中有许多槽位，编号依次为0，1，2，…，每个槽位存放一个文件名。同时假设有两个共享变量：out，指向下一个要打印的文件；in，指向目录中下一个空闲槽位。可以把这两个变量保存在一个所有进程都能访问的文件中，该文件的长度为两个字。在某一时刻，0号至3号槽位空（其中的文件已经打印完毕），4号至6号槽位被占用（其中存有排好队列的要打印的文件名）。几乎在同一时刻，进程A和进程B都决定将一个文件排队打印，这种情况如图2-21所示。

在Murphy法则（任何可能出错的地方终将出错）生效时，可能发生以下的情况。进程A读到in的值为7，将7存在一个局部变量next_free_slot中。此时发生一次时钟中断，CPU认为进程A已运行了足够长的时间，决定切换到进程B。进程B也读取in，同样得到值为7，于是将7存在B的局部变量next_free_slot中。在这一时刻两个进程都认为下一个可用槽位是7。

进程B现在继续运行，它将其文件名存在槽位7中并将in的值更新为8。然后它离开，继续执行其他操作。

最后进程A接着从上次中断的地方再次运行。它检查变量next_free_slot，发现其值为7，于是将打印文件名存入7号槽位，这样就把进程B存在那里的文件名覆盖掉。然后它将next_free_slot加1，得到值为8，就将8存到in中。此时，假脱机目录内部是一致的，所以打印机守护进程发现不了任何错误，但进程B却永远得不到任何打印输出。类似这样的情况，即两个或多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的精确时序，称为竞争条件（race condition）。调试包含有竞争条件的程序是一件很头痛的事。大多数的测试运行结果都很好，但在极少数情况下会发生一些无法解释的奇怪现象。