Java应用中的活锁（Livelock）与饥饿（Starvation）问题：产生原因与避免

大家好，今天我们来深入探讨Java并发编程中两个比较微妙但又可能导致系统性能问题的概念：活锁（Livelock）和饥饿（Starvation）。虽然它们不像死锁那样导致程序完全停滞，但也会严重影响程序的响应性和吞吐量。

一、活锁（Livelock）

活锁描述的是这样一种情况：多个线程为了避免死锁而不断地改变自己的状态，但最终没有一个线程能够取得进展。线程们都在“忙碌”地运行，但实际上都在做无用功，不断重复相同的操作，导致系统资源被浪费，程序性能下降。

1.1 活锁的产生原因

活锁通常发生在以下场景：

尝试避免死锁： 为了避免死锁，线程可能会在检测到资源冲突时释放资源，稍后再次尝试获取。
重试机制： 当操作失败时，线程会进行重试，但如果重试策略不当，可能导致多个线程同时重试，互相干扰。
相互谦让： 线程之间为了避免竞争，互相“谦让”，但这种谦让导致它们永远无法完成任务。

1.2 代码示例

让我们通过一个经典的例子来演示活锁：两个线程试图互相传递一个资源。

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

public class LivelockExample {

    private final Lock lock1 = new ReentrantLock(true); // 公平锁
    private final Lock lock2 = new ReentrantLock(true); // 公平锁

    private Person person1;
    private Person person2;

    public LivelockExample(Person person1, Person person2) {
        this.person1 = person1;
        this.person2 = person2;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Person john = new Person("John");
        Person jane = new Person("Jane");

        LivelockExample livelock = new LivelockExample(john, jane);

        new Thread(() -> {
            try {
                livelock.person1.tryTrade(livelock.person2, livelock.lock1, livelock.lock2);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }, "Thread-John").start();

        new Thread(() -> {
            try {
                livelock.person2.tryTrade(livelock.person1, livelock.lock2, livelock.lock1);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }, "Thread-Jane").start();
    }

    static class Person {
        private String name;

        public Person(String name) {
            this.name = name;
        }

        public String getName() {
            return name;
        }

        public void tryTrade(Person other, Lock lock1, Lock lock2) throws InterruptedException {
            while (true) {
                if (lock1.tryLock()) {
                    try {
                        System.out.println(name + " acquired " + lock1.toString() + " , trying to acquire " + lock2.toString() );
                        if (lock2.tryLock()) {
                            try {
                                System.out.println(name + " : " + " traded with " + other.getName());
                                return;
                            } finally {
                                lock2.unlock();
                            }
                        } else {
                            System.out.println(name + " : " + other.getName() + " is also trying to trade. Releasing " + lock1.toString());
                        }
                    } finally {
                        lock1.unlock();
                    }
                } else {
                    System.out.println(name + " : " + " is waiting for " + lock1.toString() + " to be released.");
                }
                // 互相谦让，让出CPU时间片，尝试避免死锁
                Thread.sleep(10);
            }
        }
    }
}

在这个例子中，Person 类代表一个人，每个人都试图与另一个人交易。 tryTrade 方法尝试获取两个锁 lock1 和 lock2。如果其中一个锁无法获取，它会释放已获取的锁并稍后重试。由于两个线程都在互相谦让，不断地释放和重试，它们可能永远无法成功交易，从而陷入活锁。注意这里使用了公平锁，公平锁相对于非公平锁更容易发生活锁，因为线程会严格按照请求顺序获取锁。

1.3 避免活锁的方法

引入随机性： 在重试机制中引入随机的等待时间，避免多个线程同时重试。
优先级策略： 赋予某些线程更高的优先级，确保它们能够优先获取资源。
避免过度谦让： 线程在检测到资源冲突时，不应该立即释放资源，而是应该尝试等待一段时间。
使用锁的轮询机制，而不是忙等待： 让线程在等待锁的时候可以执行其他任务，而不是一直占用CPU资源进行重试。

修改上面的代码，加入随机等待时间：

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

public class LivelockExampleFixed {

    private final Lock lock1 = new ReentrantLock(true); // 公平锁
    private final Lock lock2 = new ReentrantLock(true); // 公平锁
    private final Random random = new Random();

    private Person person1;
    private Person person2;

    public LivelockExampleFixed(Person person1, Person person2) {
        this.person1 = person1;
        this.person2 = person2;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Person john = new Person("John");
        Person jane = new Person("Jane");

        LivelockExampleFixed livelock = new LivelockExampleFixed(john, jane);

        new Thread(() -> {
            try {
                livelock.person1.tryTrade(livelock.person2, livelock.lock1, livelock.lock2);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }, "Thread-John").start();

        new Thread(() -> {
            try {
                livelock.person2.tryTrade(livelock.person1, livelock.lock2, livelock.lock1);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }, "Thread-Jane").start();
    }

    static class Person {
        private String name;
        private final Random random = new Random();

        public Person(String name) {
            this.name = name;
        }

        public String getName() {
            return name;
        }

        public void tryTrade(Person other, Lock lock1, Lock lock2) throws InterruptedException {
            while (true) {
                if (lock1.tryLock()) {
                    try {
                        System.out.println(name + " acquired " + lock1.toString() + " , trying to acquire " + lock2.toString() );
                        if (lock2.tryLock()) {
                            try {
                                System.out.println(name + " : " + " traded with " + other.getName());
                                return;
                            } finally {
                                lock2.unlock();
                            }
                        } else {
                            System.out.println(name + " : " + other.getName() + " is also trying to trade. Releasing " + lock1.toString());
                        }
                    } finally {
                        lock1.unlock();
                    }
                } else {
                    System.out.println(name + " : " + " is waiting for " + lock1.toString() + " to be released.");
                }
                // 互相谦让，让出CPU时间片，尝试避免死锁
                Thread.sleep(random.nextInt(100)); // 随机等待时间
            }
        }
    }
}

二、饥饿（Starvation）

饥饿是指一个或多个线程因为某种原因无法获得所需的资源，导致它们一直无法执行。与死锁不同，饥饿的线程并没有被阻塞，它们只是无法获得执行的机会。

2.1 饥饿的产生原因

优先级反转： 低优先级的线程持有一个高优先级线程需要的资源，导致高优先级线程一直等待。
不公平的资源分配： 资源分配策略偏向某些线程，导致其他线程长期无法获得资源。例如，非公平锁可能导致某些线程一直无法获取锁。
无限循环： 高优先级线程进入无限循环，导致低优先级线程无法获得CPU时间片。

2.2 代码示例

下面是一个使用非公平锁导致饥饿的例子：

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

public class StarvationExample {

    private static final Lock lock = new ReentrantLock(false); // 非公平锁
    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                while (true) {
                    lock.lock();
                    try {
                        count++;
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired the lock, count = " + count);
                        // 模拟耗时操作
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    } finally {
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }, "Thread-" + i).start();
        }
    }
}

在这个例子中，多个线程竞争同一个非公平锁。由于非公平锁允许线程在锁释放后立即再次获取锁，因此某些线程可能一直能够获取锁，而其他线程则可能一直无法获取锁，从而导致饥饿。

2.3 避免饥饿的方法

使用公平锁： 公平锁按照线程请求锁的顺序分配锁，可以避免某些线程长期无法获取锁。
避免优先级反转： 使用优先级继承或优先级天花板协议来避免优先级反转。
限制高优先级线程的运行时间： 避免高优先级线程长时间占用CPU资源，让低优先级线程也有机会执行。
资源预分配： 在程序启动时，为每个线程预先分配一定的资源，避免线程在运行时竞争资源。
使用条件队列(Condition Queue)： Condition 接口可以用来实现更细粒度的线程等待和通知机制，避免线程一直处于等待状态。

修改上面的代码，使用公平锁：

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

public class StarvationExampleFixed {

    private static final Lock lock = new ReentrantLock(true); // 公平锁
    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                while (true) {
                    lock.lock();
                    try {
                        count++;
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired the lock, count = " + count);
                        // 模拟耗时操作
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    } finally {
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }, "Thread-" + i).start();
        }
    }
}

三、活锁与饥饿的对比

特性	活锁 (Livelock)	饥饿 (Starvation)
线程状态	线程持续运行，但无法取得进展	线程可以运行，但无法获得所需资源
资源占用	线程可能频繁释放和重新获取资源	线程可能长期等待资源
根本原因	线程为了避免死锁而进行的无效操作	资源分配不公平或优先级反转等
解决方案	引入随机性、避免过度谦让	使用公平锁、避免优先级反转、限制高优先级线程的运行时间
是否阻塞	不阻塞，线程持续尝试	不阻塞，线程等待资源

四、总结与建议

活锁和饥饿是并发编程中常见的性能问题，它们不像死锁那样容易被发现，但同样会对系统的稳定性和响应性产生负面影响。理解它们产生的原因，并采取相应的措施，可以有效地避免这些问题。

活锁： 是线程不断尝试避让，但始终无法取得进展的情况。引入随机性，避免过度谦让可以避免活锁。
饥饿： 是线程因资源分配不公，长期无法获得所需资源的情况。使用公平锁，避免优先级反转可以避免饥饿。

希望今天的讲解对大家有所帮助，谢谢！

Java应用中的活锁（Livelock）与饥饿（Starvation）问题：产生原因与避免

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