競合状態とデッドロック

競合状態（レースコンディション）とは、複数のプロセスやスレッドが同じデータを同時に書き換えて、結果が実行の順番しだいで変わる不具合です。商品の在庫数や口座の残高のような共有データで起きると、数が合わなくなります。

ネット通販で、在庫が10個の商品を、2人が同時に1個ずつ買いました。在庫は8になるはずです。ところが、9のままになることがあります。

「在庫を1つ減らす」は、実は3つの手順です。在庫を読み、1を引き、結果を書きます。2人の買い物が、この手順の途中で交互に入ると、片方の書き込みが消えます。

次の表は、最悪の交互の順番です。2人とも、書き込む前に10を読んでいます。

本物のスレッドは、順番が運しだいで変わります。そこで次のコマンドは、表と同じ順番を、手で並べて動かします。Aが読み、Bが読み、Aが書き、Bが書きます。

在庫は2回減らしたのに、結果は8ではなく9です。毎回、同じ答えが出ます。

python3 -c "stock = 10; a = stock; b = stock; stock = a - 1; stock = b - 1; print(stock)"

1つのプロセスの中には、スレッドという流れを、いくつも持てます。同じプロセスのスレッドは、メモリを共有します。だから速く協力できますが、同じデータを書き換え合う危険もあります。

次のコマンドは、ls というプロセスのスレッドの数を数えます。ls は1本だけで動くので、1と出ます。

ls /proc/self/task | wc -l

共有データを触る部分を、クリティカルセクションといいます。ここには、同時に1つしか入れません。入口にロックをかけて、持っているものだけが入れるようにします。

持っている間に、別のものが同じロックを取ろうとすると、待たされます。出るときに、ロックを返します。

flock は、ファイルを使ったロックのコマンドです。-n を付けると、取れないときに待たず、すぐ終了コード1で失敗します。

最初のコマンドは、外側でロックを取り、その中で同じロックをもう一度取ろうとします。すでに持たれているので、断られて inner=1 と出ます。

flock -n /tmp/osint.lock -c 'flock -n /tmp/osint.lock true; echo inner=$?'

flock -n /tmp/osint.lock true && echo free

デッドロックは、互いに相手が持つものを待って、全員が動けなくなることです。学生Aが会議室を借りてプロジェクターを待ち、学生Bがプロジェクターを借りて会議室を待つ場面です。

ロックでも同じことが起きます。次の4つがすべてそろったときに起きます。1つでも欠ければ、起きません。