JAVA并發之加鎖導致的活躍性問題

首先提及一下前置知識:

1.JAVA并發之基礎概念

2.JAVA并發之行程VS執行緒

3.JAVA并發之多執行緒引發的問題剖析及如何保證執行緒安全

? 在前三章我們討論了多執行緒并發的優點以及如何加鎖來處理并發帶來的安全性問題

? 但是加鎖也為我們帶來了諸多問題 如:死鎖,活鎖,執行緒饑餓等問題 這一章我我們主要處理鎖帶來的問題.
首先就是最出名的死鎖

1.死鎖(Deadlock)

什么是死鎖

死鎖是當執行緒進入無限期等待狀態時發生的情況，因為所請求的鎖被另一個執行緒持有，而另一個執行緒又等待第一個執行緒持有的另一個鎖 導致互相等待，總結:多個執行緒互相等待對方釋放鎖，

例如在現實中的十字路口，鎖就像紅路燈指示器，一旦鎖壞了，就會導致交通癱瘓，
那么該如何避免這個問題呢

死鎖的解決和預防

1.超時釋放鎖

	>顧名思義,這種避免死鎖的方式是在嘗試獲取鎖的時候加一個超時時間,這就意味著,如果一個執行緒在獲取鎖的門口等待太久這個執行緒就會放棄這次請求,退還并釋放所有已經獲得的鎖,再在等待一段隨機時間后再次嘗試,這段時間其他的執行緒伙伴可以去嘗試拿鎖.

public interface Lock {
	//自定義例外類
    public static class TimeOutException extends Exception{
        public TimeOutException(String message){
            super(message);
        }
    }
	//無超時鎖，可以被打斷
    void lock() throws  InterruptedException;
    //超時鎖，可以被打斷
    void lock(long molls) throws InterruptedException,TimeOutException;
    //解鎖
    void unlock();
    //獲取當前等待的執行緒
    Collection<Thread> getBlockedThread();
    //獲取當前阻塞的執行緒數目
    int getBlockSize();
}

public class BooleanLock  implements Lock{
    private boolean initValue;
    private Thread currenThread;
    public BooleanLock(){
        this.initValue = https://www.cnblogs.com/java-bible/archive/2020/10/27/false;
    }
    private Collection blockThreadCollection = new ArrayList<>();

    @Override
    public synchronized void lock() throws InterruptedException {
        while (initValue){
            blockThreadCollection.add(Thread.currentThread());
            this.wait();
        }
        //表明此時正在用，別人進來就要鎖住
        this.initValue = true;
        currenThread = Thread.currentThread();
        blockThreadCollection.remove(Thread.currentThread());//從集合中洗掉
    }

    @Override
    public synchronized void lock(long mills) throws InterruptedException, TimeOutException {
        if (mills<=0){
            lock();
        }else {
            long hasRemain = mills;
            long endTime = System.currentTimeMillis()+mills;
            while (initValue){
                if (hasRemain<=0)
                    throw new TimeOutException("Time out");
                blockThreadCollection.add(Thread.currentThread());
                hasRemain = endTime-System.currentTimeMillis();
            }
            this.initValue = https://www.cnblogs.com/java-bible/archive/2020/10/27/true;
            currenThread = Thread.currentThread();
        }


    }

    @Override
    public synchronized void unlock() {
        if (currenThread==Thread.currentThread()){
            this.initValue = false; //表明鎖已經釋放
            Optional.of(Thread.currentThread().getName()+" release the lock monitor").ifPresent(System.out::println);
            this.notifyAll();
        }
    }

    @Override
    public Collection<Thread> getBlockedThread() {
        return Collections.unmodifiableCollection(blockThreadCollection);
    }

    @Override
    public int getBlockSize() {
        return blockThreadCollection.size();
    }
}

public class BlockTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    final BooleanLock booleanLock = new BooleanLock();
    // 使用Stream流的方式創建四個執行緒
        Stream.of("T1","T2","T3","T4").forEach(name->{
            new Thread(()->{
                try {
                    booleanLock.lock(10);
                    Optional.of(Thread.currentThread().getName()+" have the lock Monitor").ifPresent(System.out::println);
                    work();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (Lock.TimeOutException e) {
                    Optional.of(Thread.currentThread().getName()+" time out").ifPresent(System.out::println);
                } finally {
                    booleanLock.unlock();
                }
            },name).start();
        });
    }

  	//如果是需要一直等待就呼叫 lock()，如果是超時要退出來就呼叫超時lock(long millo)
    private static void work() throws InterruptedException{
        Optional.of(Thread.currentThread().getName()+" is 		working.....'").ifPresent(System.out::println);
        Thread.sleep(40_000);
    }
}

運行:

T1 have the lock Monitor
T1 is working.....
T2 time out
T4 time out
T3 time out

2.按順序加鎖

	>按照順序加鎖是一種有效防止死鎖的機制,但是這種方式,你需要先知道所有可能用到鎖的位置,并對這些鎖安排一個順序

3.死鎖檢測

	>死鎖檢測是一個更好的死鎖預防機制,主要用于超時鎖和按順序加鎖不可用的場景每當一個執行緒獲得了鎖，會在執行緒和鎖相關的資料結構中（map、graph 等等）將其記下，除此之外，每當有執行緒請求鎖，也需要記錄在這個資料結構中，當一個執行緒請求鎖失敗時，這個執行緒可以遍歷鎖的關系圖看看是否有死鎖發生，

如果檢測出死鎖，有兩種處理手段：

• 釋放所有鎖，回退，并且等待一段隨機的時間后重試，這個和簡單的加鎖超時類似，不一樣的是只有死鎖已經發生了才回退，而不會是因為加鎖的請求超時了，雖然有回退和等待，但是如果有大量的執行緒競爭同一批鎖，它們還是會重復地死鎖,原因同超時類似，不能從根本上減輕競爭.
• 一個更好的方案是給這些執行緒設定優先級，讓一個（或幾個）執行緒回退，剩下的執行緒就像沒發生死鎖一樣繼續保持著它們需要的鎖，如果賦予這些執行緒的優先級是固定不變的，同一批執行緒總是會擁有更高的優先級，為避免這個問題，可以在死鎖發生的時候設定隨機的優先級，

2.活鎖(Livelock)

什么是活鎖

? 死鎖是一直死等，活鎖他不死等，它會一直執行，但是執行緒就是不能繼續，因為它不斷重試相同的操作，換句話說，就是資訊處理執行緒并沒有發生阻塞，但是永遠都不會前進了,當他們為了彼此間的回應而相互禮讓，使得沒有一個執行緒能夠繼續前進，那么就發生了活鎖

避免活鎖

? 解決“活鎖”的方案很簡單，謙讓時，嘗試等待一個隨機的時間就可以了，由于等待的時間是隨機的，所以同時相撞后再次相撞的概率就很低了，“等待一個隨機時間”的方案雖然很簡單，卻非常有效，Raft 這樣知名的分布式一致性演算法中也用到了它，

3.饑餓

什么是饑餓

• 高優先級執行緒吞噬所有的低優先級執行緒的 CPU 時間，
• 執行緒被永久堵塞在一個等待進入同步塊的狀態，因為其他執行緒總是能在它之前持續地對該同步塊進行訪問，
• 執行緒在等待一個本身(在其上呼叫 wait())也處于永久等待完成的物件，因為其他執行緒總是被持續地獲得喚醒，

饑餓問題最經典的例子就是哲學家問題，如圖所示：有五個哲學家用餐，每個人要活得兩把叉子才可以就餐，當 2、4 就餐時，1、3、5 永遠無法就餐，只能看著盤中的美食饑餓的等待著，

解決饑餓

Java 不可能實作 100% 的公平性，我們依然可以通過同步結構在執行緒間實作公平性的提高，

有三種方案：

• 保證資源充足
• 公平地分配資源
• 避免持有鎖的執行緒長時間執行

這三個方案中，方案一和方案三的適用場景比較有限，因為很多場景下，資源的稀缺性是沒辦法解決的，持有鎖的執行緒執行的時間也很難縮短，倒是方案二的適用場景相對來說更多一些，
那如何公平地分配資源呢？在并發編程里，主要是使用公平鎖，所謂公平鎖，是一種先來后到的方案，執行緒的等待是有順序的，排在等待佇列前面的執行緒會優先獲得資源，

4.性能問題

? 并發執行一定比串行執行快嗎？執行緒越多執行越快嗎？

? 答案是：并發不一定比串行快，因為有創建執行緒和執行緒背景關系切換的開銷，

5.背景關系切換

什么是背景關系切換？

? 當 CPU 從執行一個執行緒切換到執行另一個執行緒時，CPU 需要保存當前執行緒的本地資料，程式指標等狀態，并加載下一個要執行的執行緒的本地資料，程式指標等，這個開關被稱為“背景關系切換”，

減少背景關系切換的方法

• 無鎖并發編程 - 多執行緒競爭鎖時，會引起背景關系切換，所以多執行緒處理資料時，可以用一些辦法來避免使用鎖，如將資料的 ID 按照 Hash 演算法取模分段，不同的執行緒處理不同段的資料，
• CAS 演算法 - Java 的 Atomic 包使用 CAS 演算法來更新資料，而不需要加鎖，
• 使用最少執行緒 - 避免創建不需要的執行緒，比如任務很少，但是創建了很多執行緒來處理，這樣會造成大量執行緒都處于等待狀態，
• 使用協程 - 在單執行緒里實作多任務的調度，并在單執行緒里維持多個任務間的切換，

6.資源限制

什么是資源限制

? 資源限制是指在進行并發編程時，程式的執行速度受限于計算機硬體資源或軟體資源，

資源限制引發的問題

? 在并發編程中，將代碼執行速度加快的原則是將代碼中串行執行的部分變成并發執行，但是如果將某段串行的代碼并發執行，因為受限于資源，仍然在串行執行，這時候程式不僅不會加快執行，反而會更慢，因為增加了背景關系切換和資源調度的時間，

如何解決資源限制的問題

? 在資源限制情況下進行并發編程，根據不同的資源限制調整程式的并發度，

• 對于硬體資源限制，可以考慮使用集群并行執行程式，
• 對于軟體資源限制，可以考慮使用資源池將資源復用，

總結

至本章為止,多執行緒并發的概念篇就結束了,實際操作篇盡情期待
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標籤：其他

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