Java并发编程：如何避免活锁（Livelock）的发生与解决策略
大家好，今天我们来深入探讨Java并发编程中一个比较微妙的问题：活锁（Livelock）。活锁不像死锁那样导致线程完全阻塞，而是线程持续尝试响应彼此，但始终无法取得进展，最终导致系统资源被消耗，但任务却无法完成。理解活锁的成因和掌握有效的解决策略，对于编写健壮的并发程序至关重要。
一、活锁的定义与特征
活锁是一种并发状态，在这种状态下，两个或多个线程不断地改变自身的状态以尝试避免冲突，但却始终无法成功。与死锁不同，线程并没有被阻塞，而是不断地执行，但最终没有任何进展。这就像两个人迎面走来，都试图给对方让路，但总是走向同一侧，最终谁也过不去。
活锁的主要特征包括：
- 线程没有被阻塞： 线程一直在运行，占用 CPU 资源。
- 线程不断改变状态： 线程尝试响应其他线程的行为，调整自己的状态。
- 没有取得进展： 尽管线程在运行，但没有任何实际的工作被完成。
- 系统资源浪费： CPU 资源被浪费在无意义的尝试上。
二、活锁的产生原因
活锁通常发生在以下情况下：
- 资源竞争： 多个线程竞争相同的资源。
- 礼让行为： 线程主动释放资源，并尝试重新获取。
- 协调策略： 线程之间存在某种协调策略，但策略本身存在缺陷。
活锁的产生往往是因为线程在尝试避免死锁或其他并发问题时，采取了过于积极的策略，反而导致了活锁。
三、活锁的典型示例
让我们通过一个简单的银行账户转账的例子来演示活锁的发生。假设有两个线程，分别代表 Alice 和 Bob，它们需要将一定数量的钱在它们各自的账户之间互相转账。
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Account {
private int balance;
private final Lock lock = new ReentrantLock();
public Account(int balance) {
this.balance = balance;
}
public int getBalance() {
return balance;
}
public void deposit(int amount) {
lock.lock();
try {
balance += amount;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void withdraw(int amount) {
lock.lock();
try {
if (balance >= amount) {
balance -= amount;
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
public boolean transfer(Account target, int amount) {
// 尝试获取两个账户的锁
boolean myLock = this.lock.tryLock();
boolean targetLock = target.lock.tryLock();
try {
if (myLock && targetLock) {
this.withdraw(amount);
target.deposit(amount);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " transfered " + amount + " to " + target);
return true;
} else {
// 如果没有获取到所有锁，释放已获取的锁，并稍后重试
if (myLock) {
this.lock.unlock();
}
if (targetLock) {
target.lock.unlock();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " failed to transfer, retrying...");
return false;
}
} finally {
//即使tryLock失败，也无需释放锁，因为tryLock失败不会获取锁
}
}
@Override
public String toString() {
return "Account{" +
"balance=" + balance +
'}';
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Account aliceAccount = new Account(1000);
Account bobAccount = new Account(1000);
Runnable transferTask1 = () -> {
while (!aliceAccount.transfer(bobAccount, 10)) {
try {
Thread.sleep(1); // 稍微等待一下再重试
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
return;
}
}
};
Runnable transferTask2 = () -> {
while (!bobAccount.transfer(aliceAccount, 10)) {
try {
Thread.sleep(1); // 稍微等待一下再重试
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
return;
}
}
};
Thread aliceThread = new Thread(transferTask1, "Alice");
Thread bobThread = new Thread(transferTask2, "Bob");
aliceThread.start();
bobThread.start();
aliceThread.join();
bobThread.join();
System.out.println("Alice's account balance: " + aliceAccount.getBalance());
System.out.println("Bob's account balance: " + bobAccount.getBalance());
}
}在这个例子中，transfer 方法使用 tryLock 来尝试获取两个账户的锁。如果任何一个锁获取失败，它会释放已经获取的锁，并稍后重试。当 Alice 和 Bob 同时尝试转账时，可能会出现以下情况：
- Alice 获取了 Alice 账户的锁。
- Bob 获取了 Bob 账户的锁。
- Alice 尝试获取 Bob 账户的锁，失败。
- Bob 尝试获取 Alice 账户的锁，失败。
- Alice 释放 Alice 账户的锁。
- Bob 释放 Bob 账户的锁。
- Alice 再次尝试获取 Alice 账户的锁。
- Bob 再次尝试获取 Bob 账户的锁。
这个过程可能会无限循环下去，导致 Alice 和 Bob 不断地尝试转账，但始终无法成功，这就是活锁。控制台会持续打印 "failed to transfer, retrying…"。
四、活锁的避免与解决策略
解决活锁的关键是打破线程之间不断尝试和退让的循环。以下是一些常用的策略：
-
引入随机退避：
在失败重试之前，引入随机的退避时间。这可以打破线程之间的同步行为，降低发生活锁的概率。
public boolean transfer(Account target, int amount) { // 尝试获取两个账户的锁 boolean myLock = this.lock.tryLock(); boolean targetLock = target.lock.tryLock(); try { if (myLock && targetLock) { this.withdraw(amount); target.deposit(amount); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " transfered " + amount + " to " + target); return true; } else { // 如果没有获取到所有锁，释放已获取的锁，并稍后重试 if (myLock) { this.lock.unlock(); } if (targetLock) { target.lock.unlock(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " failed to transfer, retrying..."); // 引入随机退避 try { Thread.sleep((long) (Math.random() * 10)); // 随机等待 0-9 毫秒 } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); return false; } return false; } } finally { //即使tryLock失败，也无需释放锁，因为tryLock失败不会获取锁 } }通过引入随机退避，Alice 和 Bob 在重试之前会等待不同的时间，从而降低同时重试的概率，打破活锁的循环。
-
锁的优先级：
为锁分配优先级，让优先级高的线程优先获取锁。这可以避免多个线程同时竞争锁，从而降低活锁的风险。但是实现起来比较复杂，且可能导致饥饿。
// 假设我们使用 PriorityBlockingQueue 实现锁的优先级 // (这只是一个概念性的示例，实际实现需要考虑更多细节) // 请注意，Java标准库中没有直接支持优先级的Lock实现 // 可以考虑使用第三方库或者自定义实现 -
固定的锁获取顺序：
如果需要获取多个锁，始终按照固定的顺序获取锁。这可以避免死锁，同时也降低活锁的风险。例如，可以根据账户 ID 对账户进行排序，然后按照排序后的顺序获取锁。
public boolean transfer(Account target, int amount) { Account firstLock = (this.hashCode() < target.hashCode()) ? this : target; Account secondLock = (this.hashCode() < target.hashCode()) ? target : this; firstLock.lock.lock(); try { secondLock.lock.lock(); try { this.withdraw(amount); target.deposit(amount); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " transfered " + amount + " to " + target); return true; } finally { secondLock.lock.unlock(); } } finally { firstLock.lock.unlock(); } }在这个例子中，我们使用
hashCode作为账户 ID 的近似，并按照 ID 的顺序获取锁。这可以避免死锁，因为所有线程都按照相同的顺序获取锁。由于避免了死锁，活锁的风险也降低了。 -
避免无谓的重试：
仔细考虑重试的必要性。如果重试的条件始终无法满足，那么无谓的重试只会浪费资源，并可能导致活锁。
// 在某些情况下，如果转账金额大于账户余额，可能不需要无限重试 public boolean transfer(Account target, int amount) { lock.lock(); try { if (balance < amount) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " insufficient balance, transfer failed."); return false; // 直接返回失败，避免无限重试 } boolean targetLock = target.lock.tryLock(); try { if (targetLock) { this.withdraw(amount); target.deposit(amount); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " transfered " + amount + " to " + target); return true; } else { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " failed to transfer, retrying..."); return false; } } finally { if(targetLock){ target.lock.unlock(); } } } finally { lock.unlock(); } }在这个例子中，如果账户余额不足，转账会直接失败，避免了无限重试。
-
使用合适的并发工具：
选择合适的并发工具可以简化并发编程，并降低活锁的风险。例如，可以使用
java.util.concurrent包中的工具类，如ExecutorService、BlockingQueue等。// 使用 ExecutorService 管理线程 ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); Runnable transferTask1 = () -> { while (!aliceAccount.transfer(bobAccount, 10)) { try { Thread.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); return; } } }; Runnable transferTask2 = () -> { while (!bobAccount.transfer(aliceAccount, 10)) { try { Thread.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); return; } } }; executor.submit(transferTask1); executor.submit(transferTask2); executor.shutdown(); executor.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);使用
ExecutorService可以更好地管理线程，并简化并发编程。 -
监控和诊断：
实施监控机制，以便及时发现和诊断活锁问题。可以使用 Java 的监控工具（如 JConsole、VisualVM）来查看线程的状态和 CPU 使用率。
指标 描述 CPU 使用率 如果 CPU 使用率很高，但系统的吞吐量很低，这可能是活锁的迹象。 线程状态 观察线程的状态，如果线程频繁地在运行和等待之间切换，这可能是活锁的迹象。 锁竞争 使用监控工具查看锁的竞争情况，如果锁的竞争非常激烈，但没有线程能够获得锁，这可能是活锁的迹象。 日志信息 在代码中添加详细的日志信息，以便跟踪线程的行为。例如，可以记录线程尝试获取锁的时间、释放锁的时间、重试的次数等。通过分析日志信息，可以更容易地发现活锁问题。
五、总结：避免活锁，需要平衡礼让与进展
活锁是一种微妙的并发问题，需要仔细分析和解决。避免活锁的关键是在礼让和取得进展之间找到平衡。过于积极的礼让策略可能会导致活锁，而忽略礼让则可能导致死锁或其他并发问题。通过引入随机退避、锁的优先级、固定的锁获取顺序、避免无谓的重试、使用合适的并发工具以及实施监控和诊断，我们可以有效地避免和解决活锁问题，编写健壮的并发程序。希望今天的分享对大家有所帮助。