原子性和顺序违反

并发编程的本质

人类是 sequential creature

• 我们只能用 sequential 的方式来理解并发
  • 程序分成若干 “块”，每一块看起来都没被打断 (原子)
  • 具有逻辑先后的 “块” 被正确同步
    • 例子：produce → (happens-before) → consume

并发控制的机制完全是 “后果自负” 的

• 互斥锁 (lock/unlock) 实现原子性
  • 忘记上锁——原子性违反 (Atomicity Violation, AV)
• 条件变量/信号量 (wait/signal) 实现先后顺序同步
  • 忘记同步——顺序违反 (Order Violation, OV)

那么，程序员用的对不对呢？

“Empirical study” 实证研究

• 收集了 105 个真实系统的并发 bugs
  • MySQL (14/9), Apache (13/4), Mozilla (41/16), OpenOffice (6/2)
  • 观察是否存在有意义的结论

97% 的非死锁并发 bug 都是原子性或顺序错误

• “人类的确是 sequential creature”
• Learning from mistakes - A comprehensive study on real world concurrency bug characteristics (ASPLOS'08, Most Influential Paper Award)

原子性违反 (AV)

“ABA”

• 我以为一段代码没啥事呢，但被人强势插入了
• 即便分别上锁 (消除数据竞争)，依然是 AV
  • Diablo I 里复制物品的例子
  • Therac-25 中 “移动 Mirror + 设置状态”

原子性违反 (cont'd)

操作系统中还有更多的共享状态

• “TOCTTOU” - time of check to time of use

• TOCTTOU vulnerabilities in UNIX-style file systems: An anatomical study (FAST'05); 我们可以用进程模型复现这个问题！

顺序违反 (OV)

“BA”

• 怎么就没按我预想的顺序来呢？
  • 例子：concurrent use after free