Критическая секция и взаимное исключение (mutex/lock)

Лекарство от гонок: пускать в опасный участок кода только один поток за раз.

Критическая секция — участок кода, обращающийся к общему ресурсу, который в любой момент должен выполнять не более одного потока; взаимное исключение (mutual exclusion) — гарантия этого свойства.

Раз гонка возникает при одновременном доступе к общим данным, решение очевидно: запретить одновременность именно в этом месте. Инструмент для этого — мьютекс (mutex, от mutual exclusion), он же блокировка (Lock).

Как работает мьютекс

Мьютекс похож на ключ от переговорной комнаты. Поток, который хочет войти в критическую секцию, должен сначала захватить блокировку (acquire). Пока ключ у него, остальные ждут. Закончив, поток освобождает блокировку (release), и ключ забирает следующий.

lock = Lock()

lock.acquire()   # взял ключ
counter += 1     # критическая секция: я тут один
lock.release()   # отдал ключ

В Python безопаснее использовать контекстный менеджер with — он сам вызовет release, даже если внутри возникнет исключение:

import threading

lock = threading.Lock()
counter = 0

def increment():
    global counter
    with lock:          # acquire на входе, release на выходе
        counter += 1

threads = [threading.Thread(target=increment) for _ in range(1000)]
for t in threads: t.start()
for t in threads: t.join()
print(counter)   # теперь стабильно 1000

Этот код использует реальные потоки, поэтому в браузере не запускается. Зато логику «один ключ — одна комната» легко смоделировать:

lock_taken = False
counter = 0

def enter_critical(name):
    global lock_taken, counter
    if lock_taken:
        print(f"{name}: жду, ключ занят")
        return
    lock_taken = True
    counter += 1            # критическая секция
    print(f"{name}: вошёл, counter = {counter}")
    lock_taken = False

enter_critical("A")
enter_critical("B")

Вывод:

A: вошёл, counter = 1
B: вошёл, counter = 2

Свойства правильного взаимного исключения

Безопасность: в критической секции максимум один поток.
Прогресс: если секция свободна, кто-то из желающих обязательно войдёт.
Без голодания: ни один поток не ждёт ключ вечно.

Как работает под капотом

Внутри мьютекс опирается на атомарные аппаратные инструкции вроде compare-and-swap, которые процессор гарантированно выполняет целиком, без вклинивания. Если ключ занят, поток обычно переходит в состояние «заблокирован», и планировщик не тратит на него кванты, пока ключ не освободится. Это эффективнее, чем «крутиться» в цикле и постоянно проверять.

Частые ошибки

Забыть release. Если поток взял ключ и не отдал (например, из-за исключения), остальные зависнут навсегда. Используйте with.
Слишком широкая критическая секция. Если держать блокировку дольше нужного, потоки выстраиваются в очередь и параллелизм исчезает.
Разные блокировки на один ресурс. Если два потока защищают одни данные разными мьютексами, защиты нет.

Итог

Критическая секция — код, который должен выполнять один поток за раз.
Мьютекс даёт взаимное исключение через acquire/release.
В Python используйте with lock: — он надёжно освобождает блокировку.
Держите критическую секцию как можно короче.