1 何谓“竞态”

之前在学习一篇文章的时候，就看到“竞态”，但是不知道什么意思，文章中也没有对“竞态”做更多的解释，后来经过一番的探索，终于弄的差不多明白了，今天写点总结。首先，我们要明白“竞态”是什么。先说我的结论吧，“竞态”就是在多线程的编程中，你在同一段代码里输入了相同的条件，但是会输出不确定的结果的情况。我不知道这个解释是不是够清楚，我们接着往下看，下面我们用一段代码来解释一下啊。出现竞态条件的代码：

public class MineRaceConditionDemo {
    private int sharedValue = 0;
    private final static int MAX = 1000;
    private int raceCondition() {
        if (sharedValue < MAX) {
            sharedValue++;
        } else {
            sharedValue = 0;
        }
        return sharedValue;
    }

    public static void main(String[] args) {
        MineRaceConditionDemo m = new MineRaceConditionDemo();
        ExecutorService es = new ThreadPoolExecutor(10,
                10,
                5,
                TimeUnit.MINUTES,
                new ArrayBlockingQueue<Runnable>(1000),
                new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
        ConcurrentHashMap<Integer, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            es.execute(() -> {
                try {
                //  这是精髓所在啊，如果没有这个，那么要跑好几次才会出现竞态条件。
                //  这个用来模拟程序中别的代码的处理时间。
                    Thread.sleep(50);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                int num = m.raceCondition();
                if (map.get(num) != null) {
                    System.out.println("the repeat num: " + num);
                    System.out.println("happen.");
                } else {
                    map.put(num, 0);
                }
            });
        }
        es.shutdown();
    }
}

以上的代码是我自己的设计的一段会出现竞态条件的代码，比较简陋，但是可以说明问题了，你只要运行上面这段代码，每次的输出的结果级大概率都是不同的，但是也有以外，比如你的电脑的性能很强，这段代码也会出现执行正确的情况，也就是啥也不输出。比如有的时候输出这个：

the repeat num: 78
happen.
the repeat num: 229
happen.
the repeat num: 267
happen.
the repeat num: 267
happen.
the repeat num: 498
happen.

有点时候输出这个：

the repeat num: 25
happen.
the repeat num: 157
happen.

当然，以上的是我的输出的，你们的输出肯定也是不同的。对于上面这些，同一段代码，对于同样的输出，但是程序的输出有的时候是正确，有的时候是错误的，这种情况，我们称之为“竞态”。最要命的就是，代码每次输出不是每次都错误，而是你不知道他什么时候会正确，什么时候会错误。当然，如果以上的代码执行的情况就是，啥都不输出，所有的值都是唯一的。

2 “竞态”为什么会发生？

“竞态”的发生主要是因为多个线程都对一个共享变量（比如上面的 sharedValue 就属于共享变量）有读取-修改的操作。在某个线程读取共享变量之后，进行相关操作的时候，别的线程把这个变量给改了，从而导致结果出现了错误。

什么样的代码模式会发生“竞态”

这部分知识主要是来自《Java多线程编程实战指南核心篇》。这里书中提到，会发生竞态条件就是两个模式：read-modify-write（读-改-写）和 check-than-act（检测而后行动）。当然，这里面的都有一个相同的操作过程：某个有读取这个“共享变量”的操作，然后别的线程有个修改这个变量的操作。这里有个重点，在多个线程中，起码有一个线程有更新操作；如果所有的线程都是读操作，那么就不存在什么竞态条件。总体来说，就是要thread1#load - thread2#update。这种的模式，起码是是要有两个线程的，而且其中某个线程肯定是要有更新“共享变量”操作的，另一个线程不管是读取变量还是更新变量都会出现错误（要么读取脏数据、要么丢失更新结果）。

3 如何消除“竞态”？

单以上面的操作来说，一般来说有两种解法方式，

3.1 加锁

加上synchronized关键字，保证每次只能有一个线程获取共享变量的使用权。当然这里也可以用 java.util.concurrent.locks.ReentrantLock 这样的显式锁进行加锁操作，思想都是一样。

private synchronized int raceCondition() {
    if (sharedValue < MAX) {
        sharedValue++;
    } else {
        sharedValue = 0;
    }
    return sharedValue;
}

3.2 利用原子操作

利用java的工具包里的 AtomicInteger，代替int，利用原子操作消除“竞态”。

private AtomicInteger sharedValue = new AtomicInteger(0);
private final static int MAX = 1000;
private int raceCondition() {
    if (sharedValue.get() < MAX) {
        return sharedValue.getAndIncrement();
    } else {
        sharedValue.set(0);
        return sharedValue.get();
    }
}

以上两种方法的要义就是保证每个线程在操作“共享变量”的都是原子操作。

在并发编程中我们常说的“竞态”是什么？