Regel
Sicherstellen, dass thread-safe Zugriff auf gemeinsamen Zustand.
Gemeinsam genutzte veränderbar Zustand Zugriff auf durch mehrere Threads
ohne Synchronisierung verursacht Rennen Bedingungen und Laufzeit Fehler.

Unterstützte Sprachen: Python, Java, C#

Einleitung

Wenn mehrere Threads ohne Synchronisierung auf gemeinsame Variablen zugreifen und diese modifizieren, treten Race Conditions auf. Der endgültige Wert hängt von unvorhersehbaren Zeitabläufen der Thread-Ausführung ab, was zu Datenkorruption, falschen Berechnungen oder Laufzeitfehlern führt. Ein Zähler, der von mehreren Threads ohne Sperrung inkrementiert wird, verpasst Aktualisierungen, da Threads veraltete Werte lesen, inkrementieren und widersprüchliche Ergebnisse zurückschreiben.

Warum es wichtig ist

Datenkorruption und falsche Ergebnisse: Race Conditions verursachen eine stille Datenkorruption, bei der Werte inkonsistent oder falsch werden. Kontostände können falsch sein, Lagerbestände können negativ sein oder aggregierte Statistiken können korrumpiert werden. Diese Fehler sind schwer zu reproduzieren, da sie von der exakten Thread-Zeitsteuerung abhängen.

Systeminstabilität: Nicht synchronisierter Zugriff auf gemeinsam genutzte Zustände kann Anwendungen zum Absturz bringen. Ein Thread könnte eine Datenstruktur ändern, während ein anderer sie liest, was zu Ausnahmen wie Nullzeigerfehlern oder Index-out-of-bounds-Fehlern führt. Im Produktivbetrieb äußern sich diese als intermittierende Abstürze unter Last.

Debugging-Komplexität: Race Conditions sind notorisch schwer zu debuggen, da sie nicht-deterministisch sind. Der Fehler tritt möglicherweise nicht in Single-Threaded-Tests oder Umgebungen mit geringer Last auf. Die Reproduktion erfordert eine spezifische Thread-Verschränkung, die schwer zu erzwingen ist, wodurch Probleme zufällig erscheinen und verschwinden.

Code-Beispiele

❌ Nicht konform:

class BankAccount:
    def __init__(self):
        self.balance = 0

    def deposit(self, amount):
        current = self.balance
        # Race Condition: Ein anderer Thread könnte hier den Kontostand ändern
        time.sleep(0.001)  # Simuliert Verarbeitungszeit
        self.balance = current + amount

    def withdraw(self, amount):
        if self.balance >= amount:
            current = self.balance
            time.sleep(0.001)
            self.balance = current - amount
            return True
        return False

Warum es falsch ist: Mehrere Threads, die deposit() oder withdraw() gleichzeitig aufrufen, erzeugen Race Conditions. Zwei Threads, die jeweils 100 $ einzahlen, könnten beide den Kontostand als 0 $ lesen und dann beide 100 $ schreiben, was zu einem Endkontostand von 100 $ anstelle von 200 $ führt.

✅ Konform:

import threading

class BankAccount:
    def __init__(self):
        self.__balance = 0
        self.__lock = threading.Lock()

    @property
    def balance(self):
        with self.__lock:
            return self.__balance

    def deposit(self, amount):
        with self.__lock:
            current = self.__balance
            time.sleep(0.001)
            self.__balance = current + amount

    def withdraw(self, amount):
        with self.__lock:
            if self.__balance >= amount:
                current = self.__balance
                time.sleep(0.001)
                self.__balance = current - amount
                return True
            return False
}

Warum dies wichtig ist: Der threading.Lock() stellt sicher, dass nur ein Thread gleichzeitig auf den Saldo zugreift. Wenn ein Thread die Sperre hält, warten andere, wodurch gleichzeitige Änderungen verhindert werden. Privat __balance mit readonly @property verhindert, dass externer Code den Sperrschutz umgeht.

Fazit

Schützen Sie alle gemeinsam genutzten, veränderlichen Zustände mit geeigneten Synchronisationsprimitiven wie Locks, Semaphoren oder atomaren Operationen. Bevorzugen Sie, wenn möglich, unveränderliche Datenstrukturen oder Thread-Local Storage. Wenn Synchronisation erforderlich ist, minimieren Sie kritische Abschnitte, um Konflikte zu reduzieren und die Leistung zu verbessern.