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轮询锁使用时遇到的问题与解决方案!

2024-12-14 00:40

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作者 | 王磊

来源 | Java中文社群(ID:javacn666)

转载请联系授权(微信ID:GG_Stone

当我们遇到死锁之后,除了可以手动重启程序解决之外,还可以考虑是使用顺序锁和轮询锁,这部分的内容可以参考我的上一篇文章,这里就不再赘述了。然而,轮询锁在使用的过程中,如果使用不当会带来新的严重问题,所以本篇我们就来了解一下这些问题,以及相应的解决方案。

问题演示

当我们没有使用轮询锁之前,可能会出现这样的问题:

  1. import java.util.concurrent.locks.Lock; 
  2. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; 
  3.  
  4. publicclass DeadLockByReentrantLock { 
  5.     public static void main(String[] args) { 
  6.         Lock lockA = new ReentrantLock(); // 创建锁 A 
  7.         Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B 
  8.  
  9.         // 创建线程 1 
  10.         Thread t1 = new Thread(new Runnable() { 
  11.             @Override 
  12.             public void run() { 
  13.                 lockA.lock(); // 加锁 
  14.                 System.out.println("线程 1:获取到锁 A!"); 
  15.                 try { 
  16.                     Thread.sleep(1000); 
  17.                     System.out.println("线程 1:等待获取 B..."); 
  18.                     lockB.lock(); // 加锁 
  19.                     try { 
  20.                         System.out.println("线程 1:获取到锁 B!"); 
  21.                     } finally { 
  22.                         lockA.unlock(); // 释放锁 
  23.                     } 
  24.                 } catch (InterruptedException e) { 
  25.                     e.printStackTrace(); 
  26.                 } finally { 
  27.                     lockA.unlock(); // 释放锁 
  28.                 } 
  29.             } 
  30.         }); 
  31.         t1.start(); // 运行线程 
  32.  
  33.         // 创建线程 2 
  34.         Thread t2 = new Thread(new Runnable() { 
  35.             @Override 
  36.             public void run() { 
  37.                 lockB.lock(); // 加锁 
  38.                 System.out.println("线程 2:获取到锁 B!"); 
  39.                 try { 
  40.                     Thread.sleep(1000); 
  41.                     System.out.println("线程 2:等待获取 A..."); 
  42.                     lockA.lock(); // 加锁 
  43.                     try { 
  44.                         System.out.println("线程 2:获取到锁 A!"); 
  45.                     } finally { 
  46.                         lockA.unlock(); // 释放锁 
  47.                     } 
  48.                 } catch (InterruptedException e) { 
  49.                     e.printStackTrace(); 
  50.                 } finally { 
  51.                     lockB.unlock(); // 释放锁 
  52.                 } 
  53.             } 
  54.         }); 
  55.         t2.start(); // 运行线程 
  56.     } 

以上代码的执行结果如下:

从上述结果可以看出,此时程序中出现了线程相互等待,并尝试获取对方(锁)资源的情况,这就是典型的死锁问题了。

简易版轮询锁

当出现死锁问题之后,我们就可以使用轮询锁来解决它了,它的实现思路是通过轮询的方式来获取多个锁,如果中途有任意一个锁获取失败,则执行回退操作,释放当前线程拥有的所有锁,等待下一次重新执行,这样就可以避免多个线程同时拥有并霸占锁资源了,从而直接解决了死锁的问题,简易版的轮询锁实现如下:

  1. import java.util.concurrent.locks.Lock; 
  2. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; 
  3.  
  4. publicclass SolveDeadLockExample2 { 
  5.     public static void main(String[] args) { 
  6.         Lock lockA = new ReentrantLock(); // 创建锁 A 
  7.         Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B 
  8.  
  9.         // 创建线程 1(使用轮询锁) 
  10.         Thread t1 = new Thread(new Runnable() { 
  11.             @Override 
  12.             public void run() { 
  13.                 // 调用轮询锁 
  14.                 pollingLock(lockA, lockB); 
  15.             } 
  16.         }); 
  17.         t1.start(); // 运行线程 
  18.  
  19.         // 创建线程 2 
  20.         Thread t2 = new Thread(new Runnable() { 
  21.             @Override 
  22.             public void run() { 
  23.                 lockB.lock(); // 加锁 
  24.                 System.out.println("线程 2:获取到锁 B!"); 
  25.                 try { 
  26.                     Thread.sleep(1000); 
  27.                     System.out.println("线程 2:等待获取 A..."); 
  28.                     lockA.lock(); // 加锁 
  29.                     try { 
  30.                         System.out.println("线程 2:获取到锁 A!"); 
  31.                     } finally { 
  32.                         lockA.unlock(); // 释放锁 
  33.                     } 
  34.                 } catch (InterruptedException e) { 
  35.                     e.printStackTrace(); 
  36.                 } finally { 
  37.                     lockB.unlock(); // 释放锁 
  38.                 } 
  39.             } 
  40.         }); 
  41.         t2.start(); // 运行线程 
  42.     } 
  43.  
  44.      
  45.     private static void pollingLock(Lock lockA, Lock lockB) { 
  46.         // 轮询锁 
  47.         while (true) { 
  48.             if (lockA.tryLock()) { // 尝试获取锁 
  49.                 System.out.println("线程 1:获取到锁 A!"); 
  50.                 try { 
  51.                     Thread.sleep(1000); 
  52.                     System.out.println("线程 1:等待获取 B..."); 
  53.                     if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁 
  54.                         try { 
  55.                             System.out.println("线程 1:获取到锁 B!"); 
  56.                         } finally { 
  57.                             lockB.unlock(); // 释放锁 
  58.                             System.out.println("线程 1:释放锁 B."); 
  59.                             break; 
  60.                         } 
  61.                     } 
  62.                 } catch (InterruptedException e) { 
  63.                     e.printStackTrace(); 
  64.                 } finally { 
  65.                     lockA.unlock(); // 释放锁 
  66.                     System.out.println("线程 1:释放锁 A."); 
  67.                 } 
  68.             } 
  69.             // 等待一秒再继续执行 
  70.             try { 
  71.                 Thread.sleep(1000); 
  72.             } catch (InterruptedException e) { 
  73.                 e.printStackTrace(); 
  74.             } 
  75.         } 
  76.     } 

以上代码的执行结果如下:

从上述结果可以看出,当我们在程序中使用轮询锁之后就不会出现死锁的问题了,但以上轮询锁也并不是完美无缺的,下面我们来看看这个轮询锁会有什么样的问题?

问题1:死循环

以上简易版的轮询锁,如果遇到有一个线程一直霸占或者长时间霸占锁资源的情况,就会导致这个轮询锁进入死循环的状态,它会尝试一直获取锁资源,这样就会造成新的问题,带来不必要的性能开销,具体示例如下。

反例

  1. import java.util.concurrent.locks.Lock; 
  2. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; 
  3.  
  4. publicclass SolveDeadLockExample { 
  5.  
  6.     public static void main(String[] args) { 
  7.         Lock lockA = new ReentrantLock(); // 创建锁 A 
  8.         Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B 
  9.  
  10.         // 创建线程 1(使用轮询锁) 
  11.         Thread t1 = new Thread(new Runnable() { 
  12.             @Override 
  13.             public void run() { 
  14.                 // 调用轮询锁 
  15.                 pollingLock(lockA, lockB); 
  16.             } 
  17.         }); 
  18.         t1.start(); // 运行线程 
  19.  
  20.         // 创建线程 2 
  21.         Thread t2 = new Thread(new Runnable() { 
  22.             @Override 
  23.             public void run() { 
  24.                 lockB.lock(); // 加锁 
  25.                 System.out.println("线程 2:获取到锁 B!"); 
  26.                 try { 
  27.                     Thread.sleep(1000); 
  28.                     System.out.println("线程 2:等待获取 A..."); 
  29.                     lockA.lock(); // 加锁 
  30.                     try { 
  31.                         System.out.println("线程 2:获取到锁 A!"); 
  32.                     } finally { 
  33.                         lockA.unlock(); // 释放锁 
  34.                     } 
  35.                 } catch (InterruptedException e) { 
  36.                     e.printStackTrace(); 
  37.                 } finally { 
  38.                     // 如果此处代码未执行,线程 2 一直未释放锁资源 
  39.                     // lockB.unlock();  
  40.                 } 
  41.             } 
  42.         }); 
  43.         t2.start(); // 运行线程 
  44.     } 
  45.  
  46.      
  47.     public static void pollingLock(Lock lockA, Lock lockB) { 
  48.         while (true) { 
  49.             if (lockA.tryLock()) { // 尝试获取锁 
  50.                 System.out.println("线程 1:获取到锁 A!"); 
  51.                 try { 
  52.                     Thread.sleep(1000); 
  53.                     System.out.println("线程 1:等待获取 B..."); 
  54.                     if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁 
  55.                         try { 
  56.                             System.out.println("线程 1:获取到锁 B!"); 
  57.                         } finally { 
  58.                             lockB.unlock(); // 释放锁 
  59.                             System.out.println("线程 1:释放锁 B."); 
  60.                             break; 
  61.                         } 
  62.                     } 
  63.                 } catch (InterruptedException e) { 
  64.                     e.printStackTrace(); 
  65.                 } finally { 
  66.                     lockA.unlock(); // 释放锁 
  67.                     System.out.println("线程 1:释放锁 A."); 
  68.                 } 
  69.             } 
  70.             // 等待一秒再继续执行 
  71.             try { 
  72.                 Thread.sleep(1000); 
  73.             } catch (InterruptedException e) { 
  74.                 e.printStackTrace(); 
  75.             } 
  76.         } 
  77.     } 

以上代码的执行结果如下:

从上述结果可以看出,线程 1 轮询锁进入了死循环的状态。

优化版

针对以上死循环的情况,我们可以改进的思路有以下两种:

  1. 添加最大次数限制:如果经过了 n 次尝试获取锁之后,还未获取到锁,则认为获取锁失败,执行失败策略之后终止轮询(失败策略可以是记录日志或其他操作);
  2. 添加最大时长限制:如果经过了 n 秒尝试获取锁之后,还未获取到锁,则认为获取锁失败,执行失败策略之后终止轮询。

以上策略任选其一就可以解决死循环的问题,出于实现成本的考虑,我们可以采用轮询最大次数的方式来改进轮询锁,具体实现代码如下:

  1. import java.util.concurrent.locks.Lock; 
  2. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; 
  3.  
  4. publicclass SolveDeadLockExample { 
  5.  
  6.     public static void main(String[] args) { 
  7.         Lock lockA = new ReentrantLock(); // 创建锁 A 
  8.         Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B 
  9.  
  10.         // 创建线程 1(使用轮询锁) 
  11.         Thread t1 = new Thread(new Runnable() { 
  12.             @Override 
  13.             public void run() { 
  14.                 // 调用轮询锁 
  15.                 pollingLock(lockA, lockB, 3); 
  16.             } 
  17.         }); 
  18.         t1.start(); // 运行线程 
  19.  
  20.         // 创建线程 2 
  21.         Thread t2 = new Thread(new Runnable() { 
  22.             @Override 
  23.             public void run() { 
  24.                 lockB.lock(); // 加锁 
  25.                 System.out.println("线程 2:获取到锁 B!"); 
  26.                 try { 
  27.                     Thread.sleep(1000); 
  28.                     System.out.println("线程 2:等待获取 A..."); 
  29.                     lockA.lock(); // 加锁 
  30.                     try { 
  31.                         System.out.println("线程 2:获取到锁 A!"); 
  32.                     } finally { 
  33.                         lockA.unlock(); // 释放锁 
  34.                     } 
  35.                 } catch (InterruptedException e) { 
  36.                     e.printStackTrace(); 
  37.                 } finally { 
  38.                     // 线程 2 忘记释放锁资源 
  39.                     // lockB.unlock(); // 释放锁 
  40.                 } 
  41.             } 
  42.         }); 
  43.         t2.start(); // 运行线程 
  44.     } 
  45.  
  46.      
  47.     public static void pollingLock(Lock lockA, Lock lockB, int maxCount) { 
  48.         // 轮询次数计数器 
  49.         int count = 0; 
  50.         while (true) { 
  51.             if (lockA.tryLock()) { // 尝试获取锁 
  52.                 System.out.println("线程 1:获取到锁 A!"); 
  53.                 try { 
  54.                     Thread.sleep(1000); 
  55.                     System.out.println("线程 1:等待获取 B..."); 
  56.                     if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁 
  57.                         try { 
  58.                             System.out.println("线程 1:获取到锁 B!"); 
  59.                         } finally { 
  60.                             lockB.unlock(); // 释放锁 
  61.                             System.out.println("线程 1:释放锁 B."); 
  62.                             break; 
  63.                         } 
  64.                     } 
  65.                 } catch (InterruptedException e) { 
  66.                     e.printStackTrace(); 
  67.                 } finally { 
  68.                     lockA.unlock(); // 释放锁 
  69.                     System.out.println("线程 1:释放锁 A."); 
  70.                 } 
  71.             } 
  72.  
  73.             // 判断是否已经超过最大次数限制 
  74.             if (count++ > maxCount) { 
  75.                 // 终止循环 
  76.                 System.out.println("轮询锁获取失败,记录日志或执行其他失败策略"); 
  77.                 return
  78.             } 
  79.  
  80.             // 等待一秒再继续尝试获取锁 
  81.             try { 
  82.                 Thread.sleep(1000); 
  83.             } catch (InterruptedException e) { 
  84.                 e.printStackTrace(); 
  85.             } 
  86.         } 
  87.     } 

以上代码的执行结果如下:

从以上结果可以看出,当我们改进之后,轮询锁就不会出现死循环的问题了,它会尝试一定次数之后终止执行。

问题2:线程饿死

我们以上的轮询锁的轮询等待时间是固定时间,如下代码所示:

  1. // 等待 1s 再尝试获取(轮询)锁 
  2. try { 
  3.     Thread.sleep(1000); 
  4. } catch (InterruptedException e) { 
  5.     e.printStackTrace(); 

这样在特殊情况下会造成线程饿死的问题,也就是轮询锁一直获取不到锁的问题,比如以下示例。

反例

  1. import java.util.concurrent.locks.Lock; 
  2. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; 
  3.  
  4. publicclass SolveDeadLockExample { 
  5.  
  6.     public static void main(String[] args) { 
  7.         Lock lockA = new ReentrantLock(); // 创建锁 A 
  8.         Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B 
  9.  
  10.         // 创建线程 1(使用轮询锁) 
  11.         Thread t1 = new Thread(new Runnable() { 
  12.             @Override 
  13.             public void run() { 
  14.                 // 调用轮询锁 
  15.                 pollingLock(lockA, lockB, 3); 
  16.             } 
  17.         }); 
  18.         t1.start(); // 运行线程 
  19.  
  20.         // 创建线程 2 
  21.         Thread t2 = new Thread(new Runnable() { 
  22.             @Override 
  23.             public void run() { 
  24.                 while (true) { 
  25.                     lockB.lock(); // 加锁 
  26.                     System.out.println("线程 2:获取到锁 B!"); 
  27.                     try { 
  28.                         System.out.println("线程 2:等待获取 A..."); 
  29.                         lockA.lock(); // 加锁 
  30.                         try { 
  31.                             System.out.println("线程 2:获取到锁 A!"); 
  32.                         } finally { 
  33.                             lockA.unlock(); // 释放锁 
  34.                         } 
  35.                     } finally { 
  36.                         lockB.unlock(); // 释放锁 
  37.                     } 
  38.                     // 等待一秒之后继续执行 
  39.                     try { 
  40.                         Thread.sleep(1000); 
  41.                     } catch (InterruptedException e) { 
  42.                         e.printStackTrace(); 
  43.                     } 
  44.                 } 
  45.             } 
  46.         }); 
  47.         t2.start(); // 运行线程 
  48.     } 
  49.  
  50.      
  51.     public static void pollingLock(Lock lockA, Lock lockB, int maxCount) { 
  52.         // 循环次数计数器 
  53.         int count = 0; 
  54.         while (true) { 
  55.             if (lockA.tryLock()) { // 尝试获取锁 
  56.                 System.out.println("线程 1:获取到锁 A!"); 
  57.                 try { 
  58.                     Thread.sleep(100); // 等待 0.1s(获取锁需要的时间) 
  59.                     System.out.println("线程 1:等待获取 B..."); 
  60.                     if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁 
  61.                         try { 
  62.                             System.out.println("线程 1:获取到锁 B!"); 
  63.                         } finally { 
  64.                             lockB.unlock(); // 释放锁 
  65.                             System.out.println("线程 1:释放锁 B."); 
  66.                             break; 
  67.                         } 
  68.                     } 
  69.                 } catch (InterruptedException e) { 
  70.                     e.printStackTrace(); 
  71.                 } finally { 
  72.                     lockA.unlock(); // 释放锁 
  73.                     System.out.println("线程 1:释放锁 A."); 
  74.                 } 
  75.             } 
  76.  
  77.             // 判断是否已经超过最大次数限制 
  78.             if (count++ > maxCount) { 
  79.                 // 终止循环 
  80.                 System.out.println("轮询锁获取失败,记录日志或执行其他失败策略"); 
  81.                 return
  82.             } 
  83.  
  84.             // 等待一秒再继续尝试获取锁 
  85.             try { 
  86.                 Thread.sleep(1000); 
  87.             } catch (InterruptedException e) { 
  88.                 e.printStackTrace(); 
  89.             } 
  90.         } 
  91.     } 

以上代码的执行结果如下:

从上述结果可以看出,线程 1(轮询锁)一直未成功获取到锁,造成这种结果的原因是:线程 1 每次轮询的等待时间为固定的 1s,而线程 2 也是相同的频率,每 1s 获取一次锁,这样就会导致线程 2 会一直先成功获取到锁,而线程 1 则会一直处于“饿死”的情况,执行流程如下图所示:

优化版

接下来,我们可以将轮询锁的固定等待时间,改进为固定时间 + 随机时间的方式,这样就可以避免因为获取锁的频率一致,而造成轮询锁“饿死”的问题了,具体实现代码如下:

  1. import java.util.Random; 
  2. import java.util.concurrent.locks.Lock; 
  3. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; 
  4.  
  5. publicclass SolveDeadLockExample { 
  6.     privatestatic Random rdm = new Random(); 
  7.  
  8.     public static void main(String[] args) { 
  9.         Lock lockA = new ReentrantLock(); // 创建锁 A 
  10.         Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B 
  11.  
  12.         // 创建线程 1(使用轮询锁) 
  13.         Thread t1 = new Thread(new Runnable() { 
  14.             @Override 
  15.             public void run() { 
  16.                 // 调用轮询锁 
  17.                 pollingLock(lockA, lockB, 3); 
  18.             } 
  19.         }); 
  20.         t1.start(); // 运行线程 
  21.  
  22.         // 创建线程 2 
  23.         Thread t2 = new Thread(new Runnable() { 
  24.             @Override 
  25.             public void run() { 
  26.                 while (true) { 
  27.                     lockB.lock(); // 加锁 
  28.                     System.out.println("线程 2:获取到锁 B!"); 
  29.                     try { 
  30.                         System.out.println("线程 2:等待获取 A..."); 
  31.                         lockA.lock(); // 加锁 
  32.                         try { 
  33.                             System.out.println("线程 2:获取到锁 A!"); 
  34.                         } finally { 
  35.                             lockA.unlock(); // 释放锁 
  36.                         } 
  37.                     } finally { 
  38.                         lockB.unlock(); // 释放锁 
  39.                     } 
  40.                     // 等待一秒之后继续执行 
  41.                     try { 
  42.                         Thread.sleep(1000); 
  43.                     } catch (InterruptedException e) { 
  44.                         e.printStackTrace(); 
  45.                     } 
  46.                 } 
  47.             } 
  48.         }); 
  49.         t2.start(); // 运行线程 
  50.     } 
  51.  
  52.      
  53.     public static void pollingLock(Lock lockA, Lock lockB, int maxCount) { 
  54.         // 循环次数计数器 
  55.         int count = 0; 
  56.         while (true) { 
  57.             if (lockA.tryLock()) { // 尝试获取锁 
  58.                 System.out.println("线程 1:获取到锁 A!"); 
  59.                 try { 
  60.                     Thread.sleep(100); // 等待 0.1s(获取锁需要的时间) 
  61.                     System.out.println("线程 1:等待获取 B..."); 
  62.                     if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁 
  63.                         try { 
  64.                             System.out.println("线程 1:获取到锁 B!"); 
  65.                         } finally { 
  66.                             lockB.unlock(); // 释放锁 
  67.                             System.out.println("线程 1:释放锁 B."); 
  68.                             break; 
  69.                         } 
  70.                     } 
  71.                 } catch (InterruptedException e) { 
  72.                     e.printStackTrace(); 
  73.                 } finally { 
  74.                     lockA.unlock(); // 释放锁 
  75.                     System.out.println("线程 1:释放锁 A."); 
  76.                 } 
  77.             } 
  78.  
  79.             // 判断是否已经超过最大次数限制 
  80.             if (count++ > maxCount) { 
  81.                 // 终止循环 
  82.                 System.out.println("轮询锁获取失败,记录日志或执行其他失败策略"); 
  83.                 return
  84.             } 
  85.  
  86.             // 等待一定时间(固定时间 + 随机时间)之后再继续尝试获取锁 
  87.             try { 
  88.                 Thread.sleep(300 + rdm.nextInt(8) * 100); // 固定时间 + 随机时间 
  89.             } catch (InterruptedException e) { 
  90.                 e.printStackTrace(); 
  91.             } 
  92.         } 
  93.     } 

以上代码的执行结果如下:

从上述结果可以看出,线程 1(轮询锁)加入随机等待时间之后就不会出现线程饿死的问题了。

总结

本文我们介绍了轮询锁的用途,用于解决死锁问题,但简易版的轮询锁在某些情况下会造成死循环和线程饿死的问题,因此我们对轮询锁进行了优化,给轮询锁加入了最大轮询次数,以及随机轮询等待时间,这样就可以解决因为引入轮询锁而造成的新问题了,这样就可以愉快的使用它来解决死锁的问题了。

 

来源:Java中文社群内容投诉

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