Java并发编程：如何避免锁的饥饿（Starvation）问题与公平性策略

大家好，今天我们来聊聊Java并发编程中一个比较隐蔽但又非常重要的问题：锁的饥饿（Starvation）。我们会深入探讨什么是锁的饥饿，它产生的原因，以及如何使用公平性策略来避免它。

什么是锁的饥饿（Starvation）？

想象一下，你和一群朋友排队买演唱会门票。如果每次轮到你的时候，总有人插队，或者售票员总是优先卖给其他人，那么你可能永远都买不到票。这就是饥饿的一个简单类比。

在并发编程中，当一个或多个线程因为某种原因，无法获得它们需要的资源（通常是锁），从而无法执行任务，这种情况就被称为饥饿。导致饥饿的原因有很多，但最常见的是锁的竞争。

更具体地说，一个线程的饥饿状态是指它长期地、重复地无法获得执行所需的资源，即使这些资源在理论上是可用的。 这种“长期”和“重复”是关键，偶尔一次的资源竞争不算是饥饿，但如果一个线程总是被其他线程“挤掉”，那它就可能处于饥饿状态。

饥饿产生的原因

导致饥饿的原因有很多，主要包括以下几个方面：

非公平锁的竞争： 这是最常见的原因。Java中默认的ReentrantLock是非公平锁，这意味着当锁释放后，任何线程都有机会竞争到锁，包括刚刚释放锁的线程。如果高优先级的线程持续竞争，低优先级的线程可能永远无法获得锁。
线程优先级： 如果线程的优先级设置不合理，高优先级的线程可能会一直抢占资源，导致低优先级的线程饥饿。
不合理的调度策略： 操作系统或JVM的线程调度策略可能会导致某些线程长时间得不到执行机会。
死循环或无限等待： 虽然这不是直接的饥饿，但如果一个线程进入死循环或无限等待状态，它会占用资源，阻止其他线程执行，间接导致其他线程的饥饿。
资源分配不均： 如果系统资源（如CPU时间片、内存等）分配不均，某些线程可能会因为缺乏资源而无法执行。

非公平锁与公平锁

要理解如何避免饥饿，首先要理解非公平锁和公平锁的区别。

非公平锁（Non-fair Lock）： 当锁被释放时，任何线程都有机会竞争到锁，包括刚刚释放锁的线程。这样做的好处是性能更高，因为减少了线程切换的开销。但缺点是可能导致饥饿。ReentrantLock默认是非公平锁。
公平锁（Fair Lock）： 当锁被释放时，等待时间最长的线程（即在队列头部等待的线程）优先获得锁。这样做可以避免饥饿，但性能相对较低，因为需要维护一个等待队列，并且线程切换的开销更大。ReentrantLock可以通过构造函数指定为公平锁。

下面是一个简单的例子，展示了非公平锁和公平锁的区别：

非公平锁示例：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class NonFairLockExample {

    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false); // 非公平锁

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 3; j++) {
                    lock.lock();
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired the lock");
                        Thread.sleep(100); // 模拟工作
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } finally {
                        lock.unlock();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released the lock");
                    }
                }
            }, "Thread-" + i).start();
        }
    }
}

在这个例子中，你会发现某个线程可能会连续多次获得锁，而其他线程可能需要等待更长时间。

公平锁示例：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class FairLockExample {

    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); // 公平锁

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 3; j++) {
                    lock.lock();
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired the lock");
                        Thread.sleep(100); // 模拟工作
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } finally {
                        lock.unlock();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released the lock");
                    }
                }
            }, "Thread-" + i).start();
        }
    }
}

在这个例子中，你会发现线程获得锁的顺序更趋向于按照它们请求锁的顺序。虽然不能保证绝对的公平（因为线程调度本身就存在不确定性），但饥饿的可能性大大降低。

如何避免锁的饥饿

避免锁的饥饿，最常用的方法是使用公平锁。除此之外，还可以采取以下措施：

使用公平锁： 这是最直接的方法。将ReentrantLock的构造函数设置为true，就可以创建一个公平锁。
避免长时间持有锁： 尽量缩短持有锁的时间，减少其他线程等待锁的时间。可以将一些不需要同步的代码移出同步块。
避免嵌套锁： 嵌套锁容易导致死锁，并且增加了锁的竞争，增加了饥饿的风险。
合理设置线程优先级： 避免设置过高的线程优先级，导致低优先级的线程无法获得资源。
使用Condition： Condition可以更灵活地控制线程的等待和唤醒，避免某些线程一直处于等待状态。
使用并发集合： 例如ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue等，这些集合内部使用了更细粒度的锁或无锁算法，可以减少锁的竞争。
使用无锁数据结构： 例如CAS（Compare and Swap）操作，可以实现无锁的数据结构，完全避免锁的竞争。

使用`Condition`避免饥饿

Condition是Lock接口的一个重要组成部分，它提供了一种比Object的wait()和notify()/notifyAll()更灵活的线程等待和唤醒机制。通过Condition，我们可以更精确地控制哪些线程应该被唤醒，从而避免某些线程一直处于等待状态。

下面是一个使用Condition避免饥饿的例子：

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ConditionExample {

    private static final Lock lock = new ReentrantLock();
    private static final Condition condition = lock.newCondition();
    private static boolean resourceAvailable = false; // 假设有一个共享资源

    public static void main(String[] args) {
        // 生产者线程
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                while (resourceAvailable) {
                    System.out.println("Producer waiting for resource to be consumed...");
                    condition.await(); // 等待资源被消费
                }
                System.out.println("Producer producing resource...");
                resourceAvailable = true;
                condition.signalAll(); // 唤醒所有等待的消费者
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "Producer").start();

        // 消费者线程
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(() -> {
                lock.lock();
                try {
                    while (!resourceAvailable) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " waiting for resource to be produced...");
                        condition.await(); // 等待资源被生产
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " consuming resource...");
                    resourceAvailable = false;
                    condition.signalAll(); // 唤醒所有等待的生产者
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }, "Consumer-" + i).start();
        }
    }
}

在这个例子中，生产者线程和消费者线程通过Condition来协调资源的生产和消费。Condition保证了当资源不可用时，消费者线程会进入等待状态，直到生产者线程生产了资源并唤醒它们。这样可以避免消费者线程一直处于忙等待状态，减少了CPU的消耗，同时也避免了某些消费者线程长时间无法获得资源而导致的饥饿。

公平性策略的选择

在选择公平性策略时，需要在性能和公平性之间进行权衡。

需要高吞吐量和低延迟的应用： 可以考虑使用非公平锁。虽然可能存在饥饿的风险，但在大多数情况下，性能的提升更为重要。可以通过监控线程的等待时间，来判断是否存在严重的饥饿问题。
需要保证公平性的应用： 例如，需要保证所有用户都能获得公平的服务，或者需要避免某些任务长时间无法执行的应用，应该使用公平锁。
可以使用ReentrantReadWriteLock： 读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但在写入时需要独占锁。在读多写少的场景下，使用读写锁可以提高并发性能，同时可以通过设置公平性策略来避免写线程的饥饿。
使用StampedLock： StampedLock是Java 8引入的一种新的锁机制，它提供了比ReentrantReadWriteLock更灵活的读写锁控制。StampedLock支持乐观读模式，可以在没有写线程的情况下允许多个读线程并发访问共享资源。StampedLock也可以通过tryConvertToWriteLock()方法将读锁转换为写锁，从而避免写线程的饥饿。

下面是一个表格，总结了不同锁机制的特点：

锁类型	公平性	性能	适用场景
`ReentrantLock` (默认)	非公平	高	大多数场景，对公平性要求不高，追求高性能
`ReentrantLock` (公平)	公平	较低	需要保证公平性的场景，例如避免某些线程长时间无法获得锁
`ReentrantReadWriteLock`	可配置	中等	读多写少的场景，可以通过配置公平性策略来避免写线程的饥饿
`StampedLock`	可配置	较高	读多写少的场景，提供了更灵活的读写锁控制，可以通过`tryConvertToWriteLock()`方法将读锁转换为写锁，从而避免写线程的饥饿
无锁数据结构	无	非常高	适用于对性能要求极高，且能使用CAS操作实现无锁算法的场景。例如，高并发计数器，并发队列等。需要注意ABA问题。

代码示例：使用`ReentrantReadWriteLock`避免写线程饥饿

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class ReadWriteLockExample {

    private static final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(true); // 公平读写锁
    private static String data = "Initial Data";

    public static void main(String[] args) {
        // 多个读线程
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                lock.readLock().lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " reading data: " + data);
                    Thread.sleep(100); // 模拟读取操作
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.readLock().unlock();
                }
            }, "ReadThread-" + i).start();
        }

        // 写线程
        new Thread(() -> {
            lock.writeLock().lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " writing data...");
                data = "Updated Data";
                Thread.sleep(500); // 模拟写入操作
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " finished writing data");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.writeLock().unlock();
            }
        }, "WriteThread").start();
    }
}

在这个例子中，我们使用了公平的ReentrantReadWriteLock。即使有多个读线程在并发读取数据，写线程也能在相对合理的时间内获得写锁，避免了写线程的饥饿。

总结：选择合适的策略，避免线程饥饿

锁的饥饿是指线程长时间无法获得所需资源，导致无法执行。
非公平锁是饥饿的主要原因，可以使用公平锁来避免。
还可以通过缩短锁的持有时间，避免嵌套锁，合理设置线程优先级等方式来减少饥饿。
选择公平性策略时，需要在性能和公平性之间进行权衡，根据具体应用场景选择合适的锁机制。
Condition条件队列，ReentrantReadWriteLock读写锁都是不错的选择。
在实际应用中，需要根据具体的场景和需求，选择合适的策略来避免锁的饥饿，保证系统的稳定性和公平性。