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news 2026/4/6 23:50:06

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竞态

对于同样的输入，程序的输出有时候正确而有时候却是错误的。这种一个计算结果的正确性与时间有关的现象就被称为竞态（RaceCondition）

导致竞态的常见原因是多个线程在没有采取任何措施的情况下并发更新、读取同一个共享变量。

竞态往往伴随着数据的脏读问题，即线程读取到一个过时的数据；丢失更新问题，即一个线程丢失数据所做的更新没有体现在后续其他线程对该数据的读取上。

竞态实例：

模拟RequestID生成器，RequestID是一个固定长度的编码字符串，其中最后三位是在0~999循环递增的序列号。

public final class RequestIDGenerator implements CircularSeqGenerator {/*** 保存该类的唯一实例*/private final static RequestIDGenerator INSTANCE = new RequestIDGenerator();private final static short SEQ_UPPER_LIMIT = 999;private short sequence = -1;// 私有构造器private RequestIDGenerator() {// 什么也不做}/*** 生成循环递增序列号** @return*/@Overridepublic short nextSequence() {if (sequence >= SEQ_UPPER_LIMIT) {sequence = 0;} else {sequence++;}return sequence;}/*** 生成一个新的Request ID** @return*/public String nextID() {SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyMMddHHmmss");String timestamp = sdf.format(new Date());DecimalFormat df = new DecimalFormat("000");// 生成请求序列号short sequenceNo = nextSequence();return "0049" + timestamp + df.format(sequenceNo);}/*** 返回该类的唯一实例** @return*/public static RequestIDGenerator getInstance() {return INSTANCE;}
}

竞态demo：

public class RaceConditionDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {// 客户端线程数
//    args = new String[] {"4"};//Runtime.getRuntime().availableProcessors()-- 返回可用处理器的Java虚拟机的数量int numberOfThreads = args.length > 0 ? Short.valueOf(args[0]) : Runtime.getRuntime().availableProcessors();Thread[] workerThreads = new Thread[numberOfThreads];for (int i = 0; i < numberOfThreads; i++) {workerThreads[i] = new WorkerThread(i, 10);}// 待所有线程创建完毕后，再一次性将其启动，以便这些线程能够尽可能地在同一时间内运行for (Thread ct : workerThreads) {ct.start();}}// 模拟业务线程static class WorkerThread extends Thread {private final int requestCount;public WorkerThread(int id, int requestCount) {super("worker-" + id);this.requestCount = requestCount;}@Overridepublic void run() {int i = requestCount;String requestID;RequestIDGenerator requestIDGen = RequestIDGenerator.getInstance();while (i-- > 0) {// 生成Request IDrequestID = requestIDGen.nextID();processRequest(requestID);}}// 模拟请求处理private void processRequest(String requestID) {// 模拟请求处理耗时Tools.randomPause(50);System.out.printf("%s got requestID: %s %n",Thread.currentThread().getName(), requestID);}}
}

当args = new String[] {"4"}; 时，理论上序列号最后三位是：000-039，但是多次运行结果有时正确有时返回000-038，有时000-037。

截取部分运行结果，其中work-0和work-2线程返回的值是一样的。该程序在运行过程中出现了竞态。

worker-0 got requestID: 0049190620170236002 
worker-3 got requestID: 0049190620170236000 
worker-0 got requestID: 0049190620170236004 
worker-1 got requestID: 0049190620170236003 
worker-2 got requestID: 0049190620170236002

nextSequence()中的 sequence++ 实际上相当于如下伪代码：

load(sequence,r1); //指令①:从内存将sequence的值读取到寄存器r1（读取共享变量）
increment(r1);     //指令②：将寄存器的r1值增加1（共享变量做计算）
store(sequence,r1); //指令③：将寄存器r1的内容写入sequence对应的内存空间（更新变量）

发生原因：

一个线程在执行完指令①之后到开始执行指令②的这段时间内其他线程可能已经更新了共享变量的值，这就使得该线程在执行指令②的时候使用的是共享变量的旧值，即脏读数据。接着，该线程把根据这个旧值算出来的结果更新到共享变量，而这又使得其他线程对该变量所做的更新被覆盖，造成更新丢失。

竞态： 一个线程读取共享变量并以该共享变量为基础进行计算的期间另外的一个线程更新了该共享变量的值而导致的干扰（读取脏数据）或冲突（丢失更新）的结果。

竞态防止

共享变量修改为局部变量

public class NoRaceCondition {public int nextSequence(int sequence) {// 以下语句使用的是局部变量而非状态变量，并不会产生竞态if (sequence >= 999) {sequence = 0;} else {sequence++;}return sequence;}}

由于不同线程各自访问各自的那一部分局部变量，所以局部变量不会导致竞态。、

添加synchronized关键字

public class SafeCircularSeqGenerator implements CircularSeqGenerator {private short sequence = -1;@Overridepublic synchronized short nextSequence() {if (sequence >= 999) {sequence = 0;} else {sequence++;}return sequence;}
}

限制只能被一个线程执行