自定义同步缓冲保存类竞态条件成因咨询

代码复现 #

public abstract class SynchronizedBufferedSaver<E> {

   private final int MAX_BUFFER_SIZE;

   private Set<E> savingBuffer;

   public SynchronizedBufferedSaver(final int max_buffer_size) {
      MAX_BUFFER_SIZE = max_buffer_size;
      savingBuffer = ConcurrentHashMap.newKeySet((int) (max_buffer_size * 1.5));
   }

   public void save(@NonNull final E entity) {
      copyToCache(entity);
      flushCache(false);
   }

   abstract protected void persist(@NonNull final Set<E> cache);

   public void flushCache(final boolean force) {
      synchronized (savingBuffer) {
         if (!savingBuffer.isEmpty() && (force || savingBuffer.size() >= MAX_BUFFER_SIZE)) {
            final Set<E> tmp = savingBuffer;
            savingBuffer = ConcurrentHashMap.newKeySet((int) (MAX_BUFFER_SIZE * 1.5));
            persist(tmp);
         }
      }
   }

   private void copyToCache(@NonNull final E entity) {
      savingBuffer.add(entity);
   }

}

核心成因 #

• 锁对象动态变更，丧失互斥性：savingBuffer是非final字段，在flushCache的同步块内会被替换为新的集合实例。当线程A进入同步块并完成savingBuffer的替换后，后续线程进入同步块时，会以新的savingBuffer实例作为锁——这意味着不同线程可能持有不同的锁，完全失去了同步互斥的作用，多个线程可以同时操作不同的集合实例。
• copyToCache无锁保护，且内存可见性缺失：copyToCache直接调用savingBuffer.add，既没有被锁同步，savingBuffer也没有用volatile修饰。这会导致两个问题：一是多个线程可以同时往同一个集合里加元素；二是线程之间对savingBuffer引用的更新不保证可见，部分线程可能一直持有旧的集合实例引用，持续往旧实例里加元素。

典型触发场景 #

假设MAX_BUFFER_SIZE=2，多线程并发执行save方法：

1. 线程A、B先后执行copyToCache，往初始集合S1中添加E1、E2，此时S1大小达到阈值。
2. 线程B率先进入flushCache的同步块，拿到S1的锁，将tmp赋值为S1，然后把savingBuffer替换为新集合S2，随后调用persist(S1)（开始处理E1、E2）。
3. 线程C此时执行copyToCache，由于内存可见性问题，它的savingBuffer引用仍指向S1，于是往S1中添加E3。
4. 此时如果有线程D执行flushCache(true)（强制刷入），它的savingBuffer引用可能也还指向S1，于是拿到S1的锁，发现S1不为空，就会调用persist(S1)——此时S1里包含E1、E2、E3，导致E1、E2被重复刷入持久化。

另一种场景：

1. 线程A进入flushCache，拿到S1的锁，替换savingBuffer为S2，但还没开始执行persist(S1)。
2. 线程E执行copyToCache，由于内存可见性问题，它的savingBuffer还是S1，往S1里添加E4。
3. 线程A执行persist(S1)，此时S1包含初始元素+E4，而如果后续线程E再次触发flushCache，它可能依然以S1为锁进入同步块，再次将S1传入persist，造成重复。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Rafael Lima