ruby - 使用 MRI 生成竞争条件

Question

我想知道使用 MRI ruby​​(2.0.0) 和一些全局变量来创建竞争条件是否容易，但事实证明这并不容易。看起来它应该在某个时候失败，但它没有，我已经运行了 10 分钟。这是我一直在努力实现的代码:

def inc(*)
  a  = $x
  a +=  1
  a *= 3000
  a /= 3000
  $x =  a
end

THREADS = 10
COUNT   = 5000

loop do
  $x = 1
  THREADS.times.map do Thread.new { COUNT.times(&method(:inc)) } end.each(&:join)

  break puts "woo hoo!" if $x != THREADS * COUNT + 1
end

puts $x

为什么我无法生成(或检测到)预期的竞争条件，并在 Ruby MRI 2.0.0 中获得输出 woo hoo!？

Answer 1

您的示例确实(几乎立即)在 1.8.7 中工作。

以下变体适用于 1.9.3+:

def inc
  a  = $x + 1
  # Just one microsecond
  sleep 0.000001
  $x =  a
end

THREADS = 10
COUNT   = 50

loop do
  $x = 1
  THREADS.times.map { Thread.new { COUNT.times { inc } } }.each(&:join)
  break puts "woo hoo!" if $x != THREADS * COUNT + 1
  puts "No problem this time."
end

puts $x

sleep 命令强烈提示解释器它可以安排另一个线程，所以这并不奇怪。

请注意，如果您将 sleep 替换为需要同样长或更长的时间，例如b = a; 500.times { b *= 100 } ，那么上面的代码中没有检测到竞争条件。但是使用 b = a; 更进一步2500.times { b *= 100 } ，或者将 COUNT 从 50 增加到 500，竞争条件更可靠地被触发。

Ruby 1.9.3 之后的线程调度(当然包括 2.0.0)似乎比 1.8.7 分配了更大块的 CPU 时间。在简单代码中切换线程的机会可能很少，除非涉及某种 I/O 等待。

甚至有可能 OP 中的线程(每个线程只执行几千次计算)本质上是串联发生的 - 尽管增加 COUNT 全局以避免这种情况仍然没有触发额外的竞争条件。

通常，MRI Ruby 不会在其 C 实现中发生的原子进程期间(例如，在 Fixnum 乘法或除法期间)在线程之间切换上下文。这意味着线程上下文切换的唯一机会是在每行代码“之间”，其中所有方法都是对 Ruby 内部的调用而无需等待 I/O。在最初的例子中，只有 4 个这样的转瞬即逝的机会，似乎在 MRI 1.9.3+ 中这根本不是很多(事实上，请参阅下面的更新，这些机会可能已被删除由 ruby )

当涉及到 I/O 等待或 sleep 时，它实际上变得更加复杂，因为 Ruby MRI (1.9+) 将允许在多核 CPU 上进行一些真正的并行处理。虽然这不是线程竞争条件的直接原因，但更有可能导致它们，因为 Ruby 通常会同时进行线程上下文切换以利用并行性。

在研究这个粗略的答案时，我发现了一个有趣的链接:Nobody understands the GIL (第 2 部分已链接，与此问题更相关)

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更新:我怀疑解释器正在优化一些潜在的线程切换点在 Ruby 源代码中。从我的代码的 sleep 版本开始，然后设置:

COUNT   = 500000

inc 的以下变体似乎没有影响 $x 的竞争条件:

def inc
  a  = $x + 1
  b = 0
  b += 1
  $x =  a
end

但是，这些微小的变化都会触发竞争条件:

def inc
  a  = $x + 1
  b = 0
  b = b.send( :+, 1 )
  $x =  a
end

def inc
  a  = $x + 1
  b = 0
  b += '1'.to_i
  $x =  a
end

我的解释是 Ruby 解析器优化了 b += 1 以移除一些方法调度的开销。优化的步骤之一可能包括检查是否可能切换到等待线程。

如果是这样，那么问题中的代码可能永远没有机会在 inc 方法内切换线程，因为它里面的所有操作都可以优化以同样的方式。