Зачем нужен эксклюзивный доступ к данным в конкурентных программах?

Использование эксклюзивного доступа (или синхронизации) к данным критически важно в конкурентных программах (например, с использованием горутин в Go) для предотвращения гонок данных (data races) и обеспечения корректности и консистентности работы программы. Без синхронизации несколько горутин могут одновременно читать и/или записывать одни и те же данные, что может привести к непредсказуемым и трудноотлавливаемым ошибкам.

Ключевые причины:

1. Предотвращение гонок данных: Гонка данных возникает, когда две или более горутины одновременно обращаются к одной и той же области памяти, и хотя бы одна из операций является записью, при этом нет механизма синхронизации. Это приводит к неопределённому поведению.
2. Гарантия атомарности операций: Некоторые операции, которые кажутся атомарными (выполняющимися за один шаг), на самом деле могут быть разбиты на несколько машинных инструкций. Эксклюзивный доступ гарантирует, что такая операция будет выполнена полностью без прерывания другими горутинами.
3. Обеспечение консистентности данных: Без синхронизации данные могут оказаться в некорректном или неполном состоянии, если одна горутина начинает изменять данные, а другая пытается их прочитать до завершения изменения.
4. Избежание неопределённого поведения: Гонки данных могут приводить к падениям программы, некорректным результатам вычислений, повреждению памяти и другим труднодиагностируемым проблемам.

Пример в Go с использованием мьютекса:

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

var (
    counter int
    mu      sync.Mutex // Мьютекс для защиты доступа к counter
)

func increment() {
    mu.Lock()   // Захватываем мьютекс перед доступом к counter
    defer mu.Unlock() // Освобождаем мьютекс после завершения операции
    counter++
}

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        wg.Add(1)
        go func() {
            defer wg.Done()
            increment()
        }()
    }

    wg.Wait()
    fmt.Printf("Финальное значение счетчика: %dn", counter)
    // Без мьютекса значение было бы непредсказуемым и, скорее всего, меньше 1000
}

В Go для обеспечения эксклюзивного доступа чаще всего используются:

• sync.Mutex: Взаимное исключение для защиты критических секций кода.
• sync.RWMutex: Мьютекс для чтения/записи, позволяющий множеству читателей одновременно, но только одному писателю.
• Каналы (channels): Идиоматический способ синхронизации и обмена данными между горутинами, часто следуя принципу "Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating."
• sync/atomic: Для атомарных операций над примитивными типами без использования мьютексов, когда это возможно.