Race Condition

Race Condition

執筆済 コンピュータ並行処理

複数のスレッドが同じデータに同時にアクセスし、 実行のタイミングによって結果が変わる状態。競合状態。

典型例#

counter = counter + 1

1 行に見えるが、機械語では 3 段階。

load  counter → レジスタ
add   1
store レジスタ → counter

2 スレッドが同時に実行すると、 両方が同じ値を読み、両方が同じ値を書く。 2 回足したのに 1 しか増えない。

なぜ厄介なのか#

性質 影響
非決定的 再現しない
タイミング依存 デバッガを付けると消える
環境依存 本番の負荷でだけ起きる
静かに壊れる エラーにならず、値だけおかしい

「テストは通るが本番で稀に壊れる」典型的な原因。

対処#

手段 内容
Mutex 臨界区間を保護する
アトミック演算 ハードウェアの不可分命令を使う
不変性 変更しなければ競合しない
共有しない メッセージパッシング、スレッドローカル

最も確実なのは、可変な状態を共有しないこと。 Go の「メモリを共有して通信するのではなく、 通信してメモリを共有せよ」という指針、 Rust の所有権システムはいずれもこの方針。

メモリモデルの問題#

ロックが無いとき、 コンパイラと CPU が命令を並べ替える。

data = 42;        ┐ 順序が入れ替わりうる
ready = true;     ┘

他スレッドから見ると ready が先に真になり、 まだ書かれていない data を読んでしまう。

メモリバリアやアトミック変数の メモリ順序指定（acquire / release）が必要になる。 「見た目の順序で実行される」という直感は成り立たない。

検出#

  • ThreadSanitizer（実行時検出）
  • Rust の借用検査（コンパイル時に防ぐ）
  • Go の -race フラグ

参考文献#

  • Maurice Herlihy, Nir Shavit. The Art of Multiprocessor Programming, 2nd ed. Morgan Kaufmann, 2020.
  • Remzi H. Arpaci-Dusseau, Andrea C. Arpaci-Dusseau. Operating Systems: Three Easy Pieces. Arpaci-Dusseau Books, 2018.（全文公開） https://pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/
  • Sarita V. Adve, Hans-J. Boehm. Memory Models: A Case for Rethinking Parallel Languages and Hardware. Communications of the ACM 53(8), 2010. https://doi.org/10.1145/1787234.1787255