Состояние гонки

Аппарат лучевой терапии Therac-25 был первым в США медицинским аппаратом, в котором вопросы безопасности были возложены исключительно на программное обеспечение. Этот аппарат работал в трёх режимах:

1. Электронная терапия: электронная пушка напрямую облучает пациента; компьютер задаёт энергию электронов от 5 до 25 МэВ.
2. Рентгеновская терапия: электронная пушка облучает вольфрамовую мишень, и пациент облучается рентгеновскими лучами, проходящими через конусообразный рассеиватель. В этом режиме энергия электронов постоянна: 25 МэВ.
3. В третьем режиме никакого излучения не было. На пути электронов (на случай аварии) располагается стальной отражатель, а излучение имитируется светом. Этот режим применяется для того, чтобы точно навести пучок на больное место.

Эти три режима задавались вращающимся диском, в котором было отверстие с отклоняющими магнитами для электронной терапии, и мишень с рассеивателем для рентгеновской. Из-за состояния гонки между управляющей программой и обработчиком клавиатуры иногда случалось, что в режиме рентгеновской терапии диск оказывался в положении «Электронная терапия», и пациент напрямую облучался пучком электронов в 25 МэВ, что вело к переоблучению. При этом датчики выводили «Нулевая доза», поэтому оператор мог повторить процедуру, усугубляя ситуацию. В результате погибли как минимум два пациента.

Часть кода была взята из Therac-6 и Therac-20. При этом в Therac-6 не было рентгеновской терапии, а в Therac-20 были аппаратные меры безопасности, которые не давали включить излучение, когда диск был в неправильном положении.

Самый простой способ решения — копирование переменной x в локальную переменную. Вот исправленный код:

// Поток 2:
while (!stop)
{
  int cached_x = x;
  if (cached_x%2 == 0)
    System.out.println("x=" + cached_x);
  …
}

Естественно, этот способ работает только тогда, когда переменная одна и копирование производится за одну машинную команду.

Более сложный и «дорогой», но и более универсальный метод решения — синхронизация потоков, а именно:

int x;

// Поток 1:
while (!stop)
{
  synchronized(someObject)
  {
    x++;
  }
  …
}

// Поток 2:
while (!stop)
{
  synchronized(someObject)
  {
    if (x%2 == 0)
      System.out.println("x=" + x);
  }
  …
}

Здесь семантика happens before не требует ключевое слово volatile.

Предположим, что переменных — две (и ключевое слово volatile не действует), а во втором потоке вместо System.out.println стоит более сложная обработка. В этом случае оба метода неудовлетворительны: первый — потому что одна переменная может измениться, пока копируется другая; второй — потому что засинхронизирован слишком большой объём кода.

Эти способы можно скомбинировать, копируя «опасные» переменные в синхронизированном блоке. С одной стороны, это снимет ограничение на одну машинную команду, с другой — позволит избавиться от слишком больших синхроблоков.

volatile int x1, x2;

// Поток 1:
while (!stop)
{
  synchronized(someObject)
  {
    x1++;
    x2++;
  }
  …
}

// Поток 2:
while (!stop)
{
  int cached_x1, cached_x2;
  synchronized (someObject)
  {
    cached_x1 = x1;
    cached_x2 = x2;
  }
  if ((cached_x1 + cached_x2)%100 == 0)
    DoSomethingComplicated(cached_x1, cached_x2);
  …
}

Очевидных способов выявления и исправления состояний гонки не существует. Лучший способ избавиться от гонок — правильное проектирование многозадачной системы.