JAVA 使用 CompletableFuture 出现线程死锁？深度剖析异步执行陷阱

JAVA CompletableFuture 线程死锁：异步执行陷阱深度剖析

各位朋友，大家好！今天我们来聊聊Java并发编程中一个颇具挑战性的话题：CompletableFuture的死锁问题。CompletableFuture作为Java 8引入的异步编程利器，极大地简化了异步任务的处理，但如果使用不当，很容易陷入线程死锁的陷阱。

CompletableFuture 简介：异步编程的基石

在深入探讨死锁之前，我们先简单回顾一下CompletableFuture。CompletableFuture 实现了 Future 和 CompletionStage 接口，提供了强大的异步编程能力。它允许我们创建、组合、编排异步任务，并且可以方便地处理任务的结果和异常。

主要功能包括：

• 异步执行: 将任务提交到线程池异步执行，避免阻塞主线程。
• 结果处理: 提供多种方法处理异步任务的结果，例如 thenApply (转换结果), thenAccept (消费结果), thenRun (不处理结果)。
• 组合: 可以将多个 CompletableFuture 组合起来，例如 thenCompose (串行执行), thenCombine (并行执行)。
• 异常处理: 提供 exceptionally 和 handle 等方法来处理异步任务的异常。

死锁：并发编程的噩梦

死锁是指两个或多个线程互相持有对方需要的资源，导致所有线程都无法继续执行的状态。死锁发生的四个必要条件（Coffman条件）：

1. 互斥条件: 资源只能被一个线程占用。
2. 占有且等待: 线程已经占有至少一个资源，但同时还在请求其他线程占有的资源。
3. 不可剥夺: 线程已经获得的资源，在未使用完之前不能被其他线程强行剥夺。
4. 循环等待: 存在一个线程等待资源的环路，环路中的每个线程都在等待下一个线程所持有的资源。

当这四个条件同时满足时，就会发生死锁。

CompletableFuture 中的死锁场景

CompletableFuture 本身并不会直接导致死锁，但是，在使用不当的情况下，很容易创造出满足死锁条件的场景。常见的死锁场景主要出现在以下两种情况：

1. 同步等待异步任务完成： 在一个线程中，调用 CompletableFuture.get() 或 CompletableFuture.join() 等方法同步等待异步任务完成，而该异步任务又在同一个线程池中执行，并且依赖于主线程的某些资源，就会导致死锁。
2. 嵌套的异步任务依赖： 多个 CompletableFuture 相互依赖，形成一个循环依赖的链条，并且都使用了同一个线程池，可能会导致死锁。

案例分析：同步等待导致死锁

我们先来看一个最简单的死锁例子：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class CompletableFutureDeadlock {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);

        CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 模拟耗时操作
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            System.out.println("Async task finished");
            return "Result";
        }, executor);

        System.out.println("Waiting for result...");
        String result = future.get(); // 同步等待
        System.out.println("Result: " + result);

        executor.shutdown();
    }
}

在这个例子中，我们创建了一个大小为 1 的线程池 executor。然后，我们使用 CompletableFuture.supplyAsync() 方法提交一个异步任务到该线程池中。该异步任务模拟一个耗时操作，并返回一个字符串 "Result"。

在主线程中，我们调用 future.get() 方法同步等待异步任务完成。由于线程池大小为 1，主线程在等待异步任务完成，而异步任务需要在同一个线程池中执行，但线程池已经被主线程占用了，导致异步任务无法执行，最终造成死锁。

运行这个程序，你会发现程序会一直卡在 future.get() 方法处，无法继续执行。

分析：

• 互斥条件: 线程池只有一个线程，只能被一个任务占用。
• 占有且等待: 主线程占用了线程池的线程，并且等待异步任务完成。
• 不可剥夺: 主线程占用的线程池资源无法被剥夺。
• 循环等待: 主线程等待异步任务，异步任务又需要线程池的线程才能执行，形成循环等待。

如何避免这种死锁？

避免这种死锁的方法有很多，最简单的一种就是不要在同一个线程池中同步等待异步任务完成。可以采用以下几种策略：

1. 使用不同的线程池： 将异步任务提交到另一个线程池中，这样主线程就不会阻塞线程池中的线程。
2. 使用 CompletableFuture.join()： join() 方法和 get() 方法类似，也是同步等待异步任务完成，但是 join() 方法不会抛出受检异常，使用起来更方便。但是，使用 join() 方法仍然需要避免在同一个线程池中同步等待。
3. 使用回调函数： 避免同步等待，使用 thenApply、thenAccept 或 thenRun 等回调函数来处理异步任务的结果。
4. 使用 ForkJoinPool.commonPool()： ForkJoinPool.commonPool() 是一个全局共享的线程池，通常用于执行计算密集型的任务。如果你的异步任务是计算密集型的，可以使用 ForkJoinPool.commonPool() 来避免阻塞主线程。

修改后的代码如下：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class CompletableFutureDeadlockFixed {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
        ExecutorService anotherExecutor = Executors.newFixedThreadPool(1); // 使用另一个线程池

        CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            // 模拟耗时操作
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
            System.out.println("Async task finished");
            return "Result";
        }, anotherExecutor); // 使用另一个线程池

        System.out.println("Waiting for result...");
        String result = future.get(); // 同步等待
        System.out.println("Result: " + result);

        executor.shutdown();
        anotherExecutor.shutdown();
    }
}

在这个修改后的代码中，我们创建了两个线程池 executor 和 anotherExecutor。我们将异步任务提交到 anotherExecutor 中执行，这样主线程在等待异步任务完成时，就不会阻塞 executor 中的线程，避免了死锁。

案例分析：嵌套的异步任务依赖导致死锁

再来看一个更复杂的死锁例子，涉及嵌套的异步任务依赖：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class NestedCompletableFutureDeadlock {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);

        CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("Task 1 started");
            CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                System.out.println("Task 2 started");
                // 模拟耗时操作
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
                System.out.println("Task 2 finished");
                return "Result 2";
            }, executor);

            try {
                String result2 = future2.get(); // 同步等待
                System.out.println("Task 1 got result from Task 2: " + result2);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("Task 1 finished");
            return "Result 1";
        }, executor);

        System.out.println("Waiting for result from Task 1...");
        String result1 = future1.get(); // 同步等待
        System.out.println("Result from Task 1: " + result1);

        executor.shutdown();
    }
}

在这个例子中，我们创建了一个大小为 1 的线程池 executor。future1 提交到线程池后，在执行过程中又提交了 future2 到同一个线程池中。future1 需要等待 future2 的结果才能继续执行，而 future2 需要在同一个线程池中执行，但线程池已经被 future1 占用了，导致 future2 无法执行，最终造成死锁。

运行这个程序，你会发现程序会一直卡在 future1.get() 方法处，无法继续执行。

分析：

• 互斥条件: 线程池只有一个线程，只能被一个任务占用。
• 占有且等待: future1 占用了线程池的线程，并且等待 future2 完成。
• 不可剥夺: future1 占用的线程池资源无法被剥夺。
• 循环等待: future1 等待 future2，future2 需要线程池的线程，而线程池被 future1 占用，形成循环等待。

如何避免这种死锁？

避免这种死锁的方法与第一个例子类似，核心思想就是避免在同一个线程池中同步等待异步任务完成。可以采用以下几种策略：

1. 使用不同的线程池： 将 future2 提交到另一个线程池中执行。
2. 使用回调函数： 避免同步等待，使用 thenCompose 或 thenCombine 等方法来组合异步任务。

修改后的代码如下：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class NestedCompletableFutureDeadlockFixed {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
        ExecutorService anotherExecutor = Executors.newFixedThreadPool(1); // 使用另一个线程池

        CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("Task 1 started");
            CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                System.out.println("Task 2 started");
                // 模拟耗时操作
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
                System.out.println("Task 2 finished");
                return "Result 2";
            }, anotherExecutor); // 使用另一个线程池

            try {
                String result2 = future2.get(); // 同步等待
                System.out.println("Task 1 got result from Task 2: " + result2);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("Task 1 finished");
            return "Result 1";
        }, executor);

        System.out.println("Waiting for result from Task 1...");
        String result1 = future1.get(); // 同步等待
        System.out.println("Result from Task 1: " + result1);

        executor.shutdown();
        anotherExecutor.shutdown();
    }
}

或者使用 thenCompose 方法来避免同步等待：

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class NestedCompletableFutureDeadlockFixedCompose {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);

        CompletableFuture<String> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println("Task 1 started");
            return "Initial Result";
        }, executor).thenCompose(result -> {
            System.out.println("Task 1 continues with result: " + result);
            return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
                System.out.println("Task 2 started");
                // 模拟耗时操作
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
                System.out.println("Task 2 finished");
                return "Result 2";
            }, executor); // 仍然使用同一个线程池，但不再同步等待
        });

        System.out.println("Waiting for result from Task 1...");
        String result1 = future1.get(); // 同步等待
        System.out.println("Result from Task 1: " + result1);

        executor.shutdown();
    }
}

在这个版本中，我们使用了 thenCompose 方法来将 future2 链接到 future1 上。thenCompose 方法接受一个函数，该函数接受 future1 的结果作为输入，并返回一个新的 CompletableFuture 对象。这样，future2 的执行就会在 future1 完成之后自动执行，避免了同步等待。 需要注意，此处虽然使用了同一个线程池，但是由于不再同步等待，因此不会造成死锁。 thenCompose 保证了任务的串行执行，但避免了阻塞。

通用原则和最佳实践

除了上述针对特定场景的解决方案之外，还有一些通用的原则和最佳实践可以帮助我们避免 CompletableFuture 的死锁：

1. 避免在同一个线程池中同步等待异步任务完成。 这是最重要的一条原则。
2. 尽量使用回调函数来处理异步任务的结果。 回调函数可以避免同步等待，并且可以使代码更加简洁和易于维护。
3. 使用不同的线程池来执行不同的任务。 这样可以避免任务之间的相互阻塞。
4. 谨慎使用 ForkJoinPool.commonPool()。 虽然 ForkJoinPool.commonPool() 可以方便地执行计算密集型的任务，但是它是一个全局共享的线程池，如果使用不当，可能会导致性能问题或死锁。
5. 使用线程池监控工具来监控线程池的状态。 线程池监控工具可以帮助我们及时发现线程池的瓶颈和死锁问题。
6. 编写单元测试来测试异步代码。 单元测试可以帮助我们发现潜在的死锁问题。

表格总结：死锁场景、原因和解决方案

死锁场景	原因	解决方案
同步等待异步任务完成	主线程同步等待异步任务完成，而异步任务又需要在同一个线程池中执行，但线程池已经被主线程占用了。	1. 使用不同的线程池。 2. 使用回调函数（thenApply, thenAccept, thenRun）。 3. 如果是计算密集型任务，考虑使用 ForkJoinPool.commonPool()，但要谨慎。
嵌套的异步任务依赖	多个 CompletableFuture 相互依赖，形成一个循环依赖的链条，并且都使用了同一个线程池，内部任务需要等待外部任务释放线程池资源才能执行。	1. 使用不同的线程池。 2. 使用 thenCompose 或 thenCombine 等方法来组合异步任务，避免同步等待。
循环依赖	两个或多个 CompletableFuture 相互依赖，形成一个循环，例如 A 等待 B，B 等待 C，C 等待 A，导致所有任务都无法完成。	1. 重新设计异步任务的依赖关系，避免循环依赖。 2. 设置超时时间，防止无限期等待。
资源竞争	多个 CompletableFuture 竞争同一个资源，例如数据库连接或文件锁，导致某些任务无法获取资源而阻塞。	1. 使用锁或其他同步机制来保护共享资源。 2. 减少对共享资源的竞争，例如使用连接池或缓存。

线程池配置的建议

线程池的配置对 CompletableFuture 的性能和稳定性至关重要。以下是一些线程池配置的建议：

• 线程池大小： 线程池的大小应该根据任务的类型和数量来确定。对于 CPU 密集型的任务，线程池的大小可以设置为 CPU 核心数 + 1。对于 I/O 密集型的任务，线程池的大小可以设置为 CPU 核心数的 2 倍甚至更多。
• 队列类型： 线程池的队列类型可以是有限队列或无限队列。有限队列可以防止任务过多导致内存溢出，但是如果队列满了，新的任务会被拒绝。无限队列可以保证所有任务都能被执行，但是如果任务过多，可能会导致内存溢出。
• 拒绝策略： 线程池的拒绝策略定义了当队列满了时，如何处理新的任务。常见的拒绝策略包括 AbortPolicy (抛出异常), CallerRunsPolicy (由调用线程执行任务), DiscardPolicy (丢弃任务), DiscardOldestPolicy (丢弃队列中最老的任务)。

调试 CompletableFuture 死锁

当遇到 CompletableFuture 死锁时，可以采用以下方法进行调试：

1. 线程 Dump： 使用 jstack 命令或 VisualVM 等工具生成线程 Dump 文件。线程 Dump 文件包含了所有线程的状态信息，可以帮助我们找到死锁的线程。
2. VisualVM： VisualVM 是一个功能强大的 JVM 监控工具，可以帮助我们监控线程池的状态、CPU 使用率、内存使用率等。
3. 日志： 在关键代码处添加日志，可以帮助我们了解程序的执行流程，找到死锁发生的位置。

总结：避免死锁，提升异步编程质量

CompletableFuture 是一个强大的异步编程工具，但如果使用不当，很容易陷入线程死锁的陷阱。要避免 CompletableFuture 的死锁，最重要的是要理解死锁的原理，并且避免创造出满足死锁条件的场景。通过合理地使用线程池、回调函数和同步机制，我们可以编写出高效、稳定、可靠的异步代码。

一些最后的思考和建议

CompletableFuture 提供了强大的异步编程能力，但同时也增加了代码的复杂性。在实际开发中，需要根据具体的业务场景选择合适的异步编程方案。如果业务逻辑比较简单，可以使用简单的线程池来处理异步任务。如果业务逻辑比较复杂，可以使用 CompletableFuture 来编排异步任务。无论选择哪种方案，都需要仔细考虑线程安全问题，并且编写单元测试来保证代码的质量。 另外，要始终记住，异步编程的目的是提高程序的性能和响应速度，而不是增加程序的复杂性。在追求高性能的同时，也要保证代码的可读性和可维护性。