竞争危害

竞争危害（race hazard）又名竞态条件、竞争条件（race condition），它旨在描述一个系统或者进程的输出依赖于不受控制的事件出现顺序或者出现时机。此词源自于两个讯号试著彼此竞争，来影响谁先输出。

举例来说，如果计算机中的两个进程同时试图修改一个共享内存的内容，在没有并发控制的情况下，最后的结果依赖于两个进程的执行顺序与时机。而且如果发生了并发访问冲突，则最后的结果是不正确的。

竞争危害常见于不良设计的电子系统，尤其是逻辑电路。但它们在软体中也比较常见，尤其是有采用多线程技术的软件。

实例

1. 计算机记忆体或者磁碟装置里，如果同时发出大量数据指令的时候，竞争危害可能发生。计算机尝试覆盖相同或者旧的数据，而此时旧的数据仍在被读取。结果可能是下面的一个或者多个情况：机器当机、出现非法操作并结束程式、错误的读取旧数据、或者错误的写入新数据。
2. 网路上，竞争危害会在：多用户同时试图访问同一个可用讯息通道时，产生。在系统同意访问前没有计算机能得到讯息通道被占用的提醒。统计上说这种情况通常发生在极端长延迟时间的网路里，譬如地球同步卫星。解决之道是用户预先产生优先级列表。然而骇客可以利用这种竞争危害取得非法访问网路的权利。
3. 数字电路，由于逻辑部件输出对输入有一个响应延迟，因此可能在输出上出现一个不希望有的脉冲信号。被称为Electronics glitch。使用卡诺图以发现并消除这类问题。

逻辑电路中的竞态条件.这里，∆t₁与∆t₂表示逻辑单元的传播延迟.当输入值（A）改变，电路输出有一个很短的峰持续（∆t₁+∆t₂） - ∆t₂ = ∆t₁.

软件设计

当软件具有同时执行的多个代码路径时，该软件中就可能会发生竞争。如果代码路径执行所花费的时间与预期不同，它们的执行顺序也可能会与预期不同。此类意外行为将可能导致软件错误。两个程序之间也可能发生竞争，从而导致安全隐患（见下文）。

严重的竞争将可能导致无效的运行与程序错误。当进程/线程依赖于某些共享的状态时，通常会发生严重的竞争事件。在临界区段中对共享状态的操作必须互斥。不遵循此规范可能会污染共享的状态。

数据竞争是竞争危害的一种，也是许多内存模型关注的重点部分。C11与C++11标准所定义的内存模型规定含有数据竞争情况的C或C++程序带有未定义行为。

竞争可能会难以复现/调试，因为取决于干扰线程的相对执行时机，其产生的结果是非确定性的。当在调试模式下运行、附加额外的日志记录或调试器时，问题可能不会出现。这种在调试期间消失的错误通常被称为海森堡bug。因此，最好在设计环节多加注意以避免出现竞争。

示例

假设有两个线程，各自会将同一个全局数值变量加1。理想状态下，它们会以这样的顺序执行：

线程1	线程2		数据值
			0
读取（0）		←	0
增加（1）			0
写回		→	1
	读取（1）	←	1
	增加（2）		1
	写回	→	2

在上文的理想状态下，运行的结果为预期的2。但是，如果两个线程在没有锁定或通过信号量同步的情况下同时运行，执行的结果将可能出错。如下展示了另一种情况：

线程1	线程2		数据值
			0
读取（0）		←	0
	读取（0）	←	0
增加（1）			0
	增加（1）		0
写回		→	1
	写回	→	1

在这种情况下，因为线程的增加操作没有互斥，导致最终结果为1，而不是预期的2。

参见

• 死锁
• 矮波

外部链接

• Starvation and Critical Race Analyzers for Ada in IEEE Transactions on Software Engineering, August 1990 (vol. 16 no. 8) pp. 829–843 by G.M. Karam and R.J.A. Buhr
• Paper "Algorithms for the Optimal State Assignment of Asynchronous State Machines （页面存档备份，存于互联网档案馆）" by Robert M. Fuhrer , Bill Lin and Steven M. Nowick
• Paper "A Novel Framework for Solving the State Assignment Problem for Event-Based Specifications （页面存档备份，存于互联网档案馆）" by Luciano Lavagno , Cho W. Moon , Robert K. Brayton and Alberto Sangiovanni-Vincentelli
• Article "Secure programmer: Prevent race conditions—Resource contention can be used against you （页面存档备份，存于互联网档案馆）" by David A. Wheeler
• Chapter "Avoid Race Conditions （页面存档备份，存于互联网档案馆）"（Secure Programming for Linux and Unix HOWTO）
• Race conditions, security, and immutability in Java, with sample source code and comparison to C code, by Chiral Software
• Interview with Dmitriy Vyukov - the author of Relacy Race Detector (RRD)