並行不變量（concurrency invariant）

不變量是關於你資料的一個敘述，理應永遠為真——一個程式信守的承諾。對銀行而言，不變量可能是「所有帳戶餘額的總和等於銀行裡的總金額」。對有限緩衝區而言，可能是「0 ≤ count ≤ N」以及「count 等於實際儲存的項目數」。在單執行緒程式裡，要守住這些承諾很容易：你也許會在一個操作的中途暫時打破不變量（先從一個帳戶扣款，再對另一個帳戶入帳，於是有那麼一刻錢似乎憑空消失），但沒有別人在看，到你完成時不變量已恢復。並行不變量就是同一個概念，在有其他執行緒盯著看時被認真對待。

並行的全部危險，恰恰就在於別的執行緒能在不變量被打破的那段短暫視窗裡偷看。一筆轉帳從帳戶 A 扣款、再對帳戶 B 入帳，途中會經過一個總和錯誤的狀態；若另一個執行緒此刻同時讀取兩邊餘額，它看到的是不可能的資料。解法是讓臨界區間——也就是不變量被暫時違反的那段程式碼——相對於其他所有人是不可分割的，通常靠跨越這段持有一把鎖。紀律是：在每一個你釋放鎖的時點都讓不變量為真，只在持有鎖時才打破它。如此一來，別的執行緒就永遠無法觀察到被打破的狀態。

用不變量來設計，是推理並行程式最有用的單一方法，遠比在腦中追蹤每一種可能的交錯可靠（交錯有指數般多）。你寫下什麼必須永遠成立，找出究竟哪幾行會短暫打破它，再確保那幾行在資料被鎖住時執行。一個正確的鎖式設計不過就是：每個碰共享資料的執行緒都用同一把鎖，且在解鎖前重建不變量。它也釐清了縮小臨界區間的目標——讓鎖住的範圍盡可能小（把慢或無關的工作移到外面），同時仍大到足以涵蓋不變量被打破的每一刻。