学习笔记二十二—— 并发五大常见陷阱

⚠️ 并发五大常见陷阱

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目录

1. 数据竞争 (Data Race)
2. 死锁 (Deadlock)
3. 竞态条件 & 饿死现象 (Race Condition & Starvation)
4. 悬挂指针 (Dangling Pointer)
5. 重复释放 (Double Free)
6. 开发自查清单

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1. 数据竞争 (Data Race)

• 专业定义

  两个及以上线程在缺乏同步的情况下同时访问同一地址，并且至少有一个线程执行写操作。

• 通俗比喻

  两个人同时在同一张 Excel 表里改同一个单元格，最后单元格的内容谁也说不准。

• 危害

  状态错乱、随机崩溃、难以复现。

• 常见场景

  • 全局计数器 counter++
  • 缓存读写（读线程没加锁）

• 极简示例（C11）

  int counter = 0;
  
  void* add(void* _) {
      for (int i = 0; i < 1000000; ++i) counter++;
      return NULL;
  }

• 发现方法

  ThreadSanitizer、Helgrind、Rust 编译器借用检查。

• 避免策略

  互斥锁 Mutex、原子类型 Atomic*、消息传递 (channel)，"不共享即不竞争"。

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2. 死锁 (Deadlock)

• 专业定义

  多线程因为循环等待资源导致相互阻塞且永不释放。

• 通俗比喻

  A 把门钥匙握在手里等 B 的车钥匙，B 把车钥匙握在手里等 A 的门钥匙------谁也别想走。

• 死锁四必要条件

  互斥、占有并等待、不可抢占、循环等待。

• 典型示例（Java）

  synchronized(lockA) {
      synchronized(lockB) { /* ... */ }
  }
  
  // 另一线程
  synchronized(lockB) {
      synchronized(lockA) { /* ... */ }
  }

• 发现方法
  jstack 看线程栈、Rust cargo-deadlock、Go 运行时死锁检测。

• 避免策略

  固定锁顺序、try_lock + 超时回退、细粒度锁、用 Channel / Actor 模式取代共享锁。

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3. 竞态条件 & 饿死现象

3.1 竞态条件 (Race Condition)

• 专业定义

  程序的正确性依赖于多个事件的执行顺序，而该顺序又未受控制。

• 通俗比喻

  检查房门没锁 → 去拿快递 → 回来发现小偷已进屋------检查‑后‑执行窗口被抢占。

• 场景示例（Shell）

  if [ ! -e /tmp/mydir ]; then
      mkdir /tmp/mydir   # 另一个进程可能在检查后立即创建
  fi

• 修复关键

  将"检查 + 创建"做成一个原子操作 （加锁，或用 mkdir -p 让系统保证原子性）。

3.2 饿死现象 (Starvation)

• 定义

  线程长期得不到 CPU 时间片或资源，处于"活着却干不了活"状态。

• 典型场景

  • 读写锁：大量读锁使写锁一直被饿死
  • 严格优先级调度：低优先级线程永远排不到

• 缓解

  公平锁、优先级继承、动态调度策略。

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4. 悬挂指针 (Dangling Pointer)

• 专业定义

  指针仍指向一块已释放或作用域结束的内存区域。

• 通俗比喻

  拿着老房子的钥匙，房子已被拆迁，再开门只会撞墙。

• 示例（C）

  int *p;
  {
      int x = 42;
      p = &x;
  }          // x 生命周期结束
  printf("%d\n", *p);  // 悬挂访问

• 解决思路

  RAII / 智能指针 / Rust 所有权模型自动禁止悬挂引用。

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5. 重复释放 (Double Free)

• 专业定义

  对同一内存块调用两次释放操作。

• 通俗比喻

  电影票撕过一次又被检票员再撕一次------第二次可能撕到别人的票。

• 示例（C）

  char *buf = malloc(100);
  free(buf);
  free(buf);          // 第二次释放

• 危害

  崩溃；更严重时可破坏堆结构，被黑客利用执行任意代码。

• 防范

  设置指针为 NULL、使用智能指针（unique_ptr / Rust 所有权自动回收）、开启 AddressSanitizer。

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6. 开发生命线------五步自查

1. 代码审查：重点看"检查‑后‑执行"与手动内存管理片段。
2. 静态分析：开启编译器最大警告，IDE 并发检查。
3. 动态探测：CI 跑 AddressSanitizer / ThreadSanitizer / Valgrind。
4. 运行监控：锁等待时间、线程阻塞时长、队列深度。
5. 语言特性先行 ：能用 RAII / 智能指针 / 所有权就别手写 malloc/free。

一句话总结
"共享越少，风险越小；让编译器和工具兜底，用良好设计把错堵在出生之前。"