13,8 тыс подписчиков

Состояние гонки в Node.js: практическое руководство

5 минут

44 прочтения

25 января

Состояние гонки — распространенная и сложная проблема в параллельном программировании. Они могут приводить к неожиданным и противоречивым результатам, их сложно отлаживать и исправлять.

В этой статье мы затронем следующие темы: что такое состояние гонки; что происходит с программой, когда оно возникает; почему Node.js не защищен от гонок; когда мы можем сталкиваться с состоянием гонок в Node.js и как их предотвратить.

Что такое состояние гонки?

Состояние гонки — это тип ошибки в программировании, которая может возникнуть, когда несколько процессов или потоков одновременно получают доступ к общим данным или ресурсам и пытаются их изменить (например, файл или базу данных). При этом результат зависит от времени или порядка выполнения. Такое явление может привести к несогласованным или неверным результатам.

Предположим, два потока пытаются получить доступ к одному и тому же файлу на диске. Один поток хочет удалить файл, а другой — прочитать и переименовать его. Если потоки будут чередовать свои операции таким образом, может возникнуть состояние гонки:

Поток 1 проверяет, существует ли файл (true), и удаляет его.
Поток 2 проверяет, существует ли файл (false), и пытается его открыть.
Поток 2 не может открыть файл и выбрасывает ошибку.
Поток 2 пытается переименовать файл, что заканчивается сбоем.

В конечном итоге файл удаляется, а поток 2 не может выполнить свою задачу. Это происходит потому, что потоки не скоординировали доступ к файлу и мешали друг другу выполнять операции.

Что происходит с программой при возникновении состояния гонки?

Программа может выдавать неправильные или противоречивые результаты: некорректные вычисления, поврежденные данные или отсутствующую информацию.
Программа может вести себя непредсказуемо или ненадежно, например сбоить, зависать или зацикливаться.
Программа становится уязвимой, что чревато утечкой конфиденциальной информации, предоставлением несанкционированного доступа или выполнением вредоносного кода.
Состояние гонки также может иметь различные последствия для пользователей или клиентов программного обеспечения.

Почему возникает состояние гонки?

Состояние гонки случается при отсутствии синхронизации или координации между процессами или потоками, обращающимися к общему ресурсу. Это может произойти по разным причинам, например:

Процессы или потоки работают на разных машинах или ядрах с разными тактовыми частотами или скоростями.
Они взаимодействуют по разным каналам или протоколам и имеют разные задержки или уровни надежности.
У них разная логика или цели, поскольку они используют разные алгоритмы или стратегии.

Почему в Node.js не предусмотрена защита от состояния гонки?

Вероятно, вы считаете, что однопоточная платформа Node.js, управляемая событиями, невосприимчива к подобным состояниям. Однако это не так. В Node.js могут возникать состояния гонок, когда используются асинхронные операции, такие как обратные вызовы, промисы или async/await. Эти операции могут создавать точки приостановки, в которых выполнение текущего процесса или потока приостанавливается, а другие процессы или потоки запускаются. В итоге имеем ситуацию, когда общий ресурс изменяется другим процессом или потоком до того, как текущий процесс возобновит работу.

Взгляните на следующий код:

type Database = {
getCounter: () => Promise<number>;
setCounter: (value: number) => Promise<void>;
};

let counter: number = 0;

async function increment(): Promise<void> {
counter = await db.getCounter();
counter++;
await db.setCounter(counter);
}

async function decrement(): Promise<void> {
counter = await db.getCounter();
counter--;
await db.setCounter(counter);
}

// Одновременный вызов функций
increment();
decrement();

// Ожидаемое значение счетчика: 0
// Фактическое значение счетчика может быть 0, 1 или -1, в зависимости от порядка выполнения

Я написал этот код, чтобы показать, как асинхронное программирование может привести к неожиданным результатам, когда вы имеете дело с общими переменными. Я определил тип Database, у которого есть два асинхронных метода для получения и установки значения счетчика в базе данных. Я также объявил две асинхронные функции, increment и decrement, которые обновляют переменную счетчика путем добавления или вычитания единицы. Затем я вызвал эти функции одновременно, не дожидаясь разрешения их промисов. Это создало гонку, при которой конечное значение счетчика зависит от порядка выполнения функций. Код показывает, что вместо ожидаемого 0 счетчик может иметь значение 0, 1 или -1.

Почему вообще в Node.js возможно состояние гонки?

Копнем немного глубже.

Все дело в том, что Node.js является однопоточной системой на уровне приложения. Но на системном уровне Node.js использует библиотеку libuv и механизм цикла событий для обработки асинхронных операций (например, ввод-вывод, функционирование сети или таймеров), и это похоже на использование нескольких потоков. libuv обеспечивает низкоуровневый доступ к операционной системе. В libuv используется цикл событий, который постоянно проверяет наличие событий, таких как входящие запросы, завершенные задачи или события таймера, и выполняет соответствующие обратные вызовы, зарегистрированные для этих событий. Цикл событий работает в главном потоке — в том же, где выполняется код JavaScript.

Однако цикл событий также взаимодействует с пулом рабочих потоков, которые выполняют асинхронные операции. Рабочие потоки отправляют результаты операций в цикл событий, который затем вызывает обратные вызовы в главном потоке. Цикл событий и рабочие потоки используют структуру данных под названием очередь сообщений, которая представляет собой очередь, хранящую события и обратные вызовы, ожидающие обработки циклом событий. Очередь сообщений синхронизируется с помощью блокировки — механизма, следящего за тем, чтобы доступ к очереди сообщений получал только один поток за раз. Очередь сообщений и является причиной возникновения гонок в Node.js, поскольку она может создать ситуацию, когда порядок событий и обратных вызовов не является определенным, то есть может меняться в зависимости от времени функционирования и планирования потоков.

Заключение

Состояние гонки может привести к неправильным или противоречивым результатам, непредсказуемому или ненадежному поведению, а также уязвимости программы. Поэтому для обеспечения надежности и согласованности приложений используют соответствующие механизмы синхронизации или координации, чтобы избежать гонок, такие как блокировки, семафоры и очереди.