學習筆記二十二—— 并發五大常見陷阱

?? 并發五大常見陷阱


目錄

  1. 數據競爭 (Data Race)
  2. 死鎖 (Deadlock)
  3. 競態條件 & 餓死現象 (Race Condition & Starvation)
  4. 懸掛指針 (Dangling Pointer)
  5. 重復釋放 (Double Free)
  6. 開發自查清單

1. 數據競爭 (Data Race)

  • 專業定義

    兩個及以上線程在缺乏同步的情況下同時訪問同一地址,并且至少有一個線程執行寫操作。

  • 通俗比喻

    兩個人同時在同一張 Excel 表里改同一個單元格,最后單元格的內容誰也說不準。

  • 危害
    狀態錯亂、隨機崩潰、難以復現。

  • 常見場景

    • 全局計數器 counter++
    • 緩存讀寫(讀線程沒加鎖)
  • 極簡示例(C11)

    int counter = 0;void* add(void* _) {for (int i = 0; i < 1000000; ++i) counter++;return NULL;
    }
    
  • 發現方法
    ThreadSanitizer、Helgrind、Rust 編譯器借用檢查。

  • 避免策略
    互斥鎖 Mutex、原子類型 Atomic*、消息傳遞 (channel),“不共享即不競爭”。


2. 死鎖 (Deadlock)

  • 專業定義
    多線程因為循環等待資源導致相互阻塞且永不釋放。

  • 通俗比喻
    A 把門鑰匙握在手里等 B 的車鑰匙,B 把車鑰匙握在手里等 A 的門鑰匙——誰也別想走。

  • 死鎖四必要條件
    互斥、占有并等待、不可搶占、循環等待。

  • 典型示例(Java)

    synchronized(lockA) {synchronized(lockB) { /* … */ }
    }// 另一線程
    synchronized(lockB) {synchronized(lockA) { /* … */ }
    }
    
  • 發現方法
    jstack 看線程棧、Rust cargo-deadlock、Go 運行時死鎖檢測。

  • 避免策略
    固定鎖順序、try_lock + 超時回退、細粒度鎖、用 Channel / Actor 模式取代共享鎖。


3. 競態條件 & 餓死現象

3.1 競態條件 (Race Condition)
  • 專業定義
    程序的正確性依賴于多個事件的執行順序,而該順序又未受控制。

  • 通俗比喻
    檢查房門沒鎖 → 去拿快遞 → 回來發現小偷已進屋——檢查?后?執行窗口被搶占。

  • 場景示例(Shell)

    if [ ! -e /tmp/mydir ]; thenmkdir /tmp/mydir   # 另一個進程可能在檢查后立即創建
    fi
    
  • 修復關鍵
    將“檢查 + 創建”做成一個原子操作(加鎖,或用 mkdir -p 讓系統保證原子性)。

3.2 餓死現象 (Starvation)
  • 定義
    線程長期得不到 CPU 時間片或資源,處于“活著卻干不了活”狀態。

  • 典型場景

    • 讀寫鎖:大量讀鎖使寫鎖一直被餓死
    • 嚴格優先級調度:低優先級線程永遠排不到
  • 緩解
    公平鎖、優先級繼承、動態調度策略。


4. 懸掛指針 (Dangling Pointer)

  • 專業定義
    指針仍指向一塊已釋放或作用域結束的內存區域。

  • 通俗比喻
    拿著老房子的鑰匙,房子已被拆遷,再開門只會撞墻。

  • 示例(C)

    int *p;
    {int x = 42;p = &x;
    }          // x 生命周期結束
    printf("%d\n", *p);  // 懸掛訪問
    
  • 解決思路
    RAII / 智能指針 / Rust 所有權模型自動禁止懸掛引用。


5. 重復釋放 (Double Free)

  • 專業定義
    對同一內存塊調用兩次釋放操作。

  • 通俗比喻
    電影票撕過一次又被檢票員再撕一次——第二次可能撕到別人的票。

  • 示例(C)

    char *buf = malloc(100);
    free(buf);
    free(buf);          // 第二次釋放
    
  • 危害
    崩潰;更嚴重時可破壞堆結構,被黑客利用執行任意代碼。

  • 防范
    設置指針為 NULL、使用智能指針(unique_ptr / Rust 所有權自動回收)、開啟 AddressSanitizer。


6. 開發生命線——五步自查

  1. 代碼審查:重點看“檢查?后?執行”與手動內存管理片段。
  2. 靜態分析:開啟編譯器最大警告,IDE 并發檢查。
  3. 動態探測:CI 跑 AddressSanitizer / ThreadSanitizer / Valgrind。
  4. 運行監控:鎖等待時間、線程阻塞時長、隊列深度。
  5. 語言特性先行:能用 RAII / 智能指針 / 所有權就別手寫 malloc/free

一句話總結
“共享越少,風險越小;讓編譯器和工具兜底,用良好設計把錯堵在出生之前。”

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