Java并发编程：如何避免锁的饥饿（Starvation）问题与公平性策略 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

Java并发编程：避免锁饥饿与公平性策略

大家好，今天我们来聊聊Java并发编程中一个比较棘手的问题：锁饥饿（Starvation），以及如何通过公平性策略来缓解或避免它。锁饥饿是指线程因无法获得其需要的锁而持续阻塞的情况。这会导致线程无法执行其任务，严重影响程序的性能和响应速度。

一、锁饥饿的成因与危害

锁饥饿的根本原因在于某些线程总是能够优先获得锁，导致其他线程长时间甚至永远无法获得锁。这种现象通常发生在以下几种场景：

非公平锁的竞争激烈： Java提供的默认锁（synchronized和ReentrantLock默认构造函数）是非公平锁。非公平锁允许线程“插队”，即即使有等待队列，线程也可能在释放锁后立即再次获得锁，从而导致等待队列中的线程长时间无法获得锁。
线程优先级差异： 优先级较高的线程可能更容易获得锁，导致优先级较低的线程饥饿。虽然Java允许设置线程优先级，但依赖线程优先级来解决并发问题通常是不靠谱的，因为它受到操作系统调度策略的影响，不同平台表现不一致。
长时间持有锁： 如果一个线程长时间持有锁不释放，其他需要该锁的线程就会一直阻塞等待，增加了饥饿的风险。

锁饥饿的危害是显而易见的：

性能下降： 无法获得锁的线程会一直阻塞，浪费CPU资源。
响应迟缓： 线程长时间等待锁会导致其任务无法及时完成，影响程序的响应速度。
死锁风险： 在某些情况下，锁饥饿可能导致死锁。例如，线程A持有锁1，等待锁2；线程B持有锁2，由于线程A一直持有锁1，线程B无法获得锁1，导致两者相互等待，形成死锁。

二、非公平锁的饥饿演示

我们通过一个简单的例子来演示非公平锁可能导致的饥饿现象。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class NonFairLockStarvation {

    private static final 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 < 100; j++) {
                    lock.lock();
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取锁");
                        //模拟临界区操作
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } finally {
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }, "Thread-" + i).start();
        }
    }
}

在这个例子中，我们创建了5个线程，每个线程尝试获取锁100次。由于使用的是非公平锁，线程有可能在释放锁后立即再次获得锁，导致其他线程长时间无法获得锁。运行结果可能会出现某个线程连续多次获得锁，而其他线程等待时间过长的情况。

三、公平锁：缓解饥饿的策略

为了缓解锁饥饿，Java提供了公平锁。公平锁保证线程按照请求锁的顺序获得锁，即先到先得。ReentrantLock可以通过构造函数指定为公平锁：

ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true); // 公平锁

我们将上面的例子修改为使用公平锁：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class FairLockDemo {

    private static final 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 < 100; j++) {
                    lock.lock();
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取锁");
                        //模拟临界区操作
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } finally {
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }, "Thread-" + i).start();
        }
    }
}

使用公平锁后，线程获得锁的顺序会更加公平，每个线程都有机会获得锁，从而缓解了饥饿现象。运行结果会更均匀，每个线程获取锁的次数接近。

四、公平锁的代价

虽然公平锁可以缓解饥饿，但它也带来了性能上的代价。

上下文切换增加： 公平锁需要维护等待队列，每次释放锁时都需要从队列中选择下一个线程来唤醒，这增加了上下文切换的次数。
吞吐量降低： 非公平锁允许线程“插队”，可以减少上下文切换，提高吞吐量。公平锁则必须按照顺序来，限制了这种优化。

因此，选择使用公平锁还是非公平锁需要权衡饥饿风险和性能需求。如果饥饿是一个严重的问题，或者对公平性有较高要求，那么应该选择公平锁。如果性能是首要考虑因素，并且饥饿风险较低，那么可以选择非公平锁。

五、其他避免锁饥饿的策略

除了使用公平锁，还可以通过以下策略来避免锁饥饿：

减少锁的持有时间： 尽量缩短线程持有锁的时间，减少其他线程的等待时间。可以将临界区内的代码进行优化，减少不必要的计算和IO操作。
避免长时间阻塞的操作： 在临界区内避免进行长时间的阻塞操作，如IO操作、网络请求等。如果必须进行，可以考虑使用异步IO或者将操作移到临界区外。
使用读写锁分离读写操作： 如果读操作远多于写操作，可以使用读写锁ReentrantReadWriteLock来提高并发性能。读写锁允许多个线程同时进行读操作，但只允许一个线程进行写操作，从而减少了写操作的阻塞时间。
使用无锁数据结构： 某些情况下，可以使用无锁数据结构（如ConcurrentHashMap、AtomicInteger）来代替锁，从而避免锁竞争和饥饿。无锁数据结构通常使用CAS（Compare and Swap）操作来实现线程安全。
合理设置线程优先级： 虽然不推荐依赖线程优先级来解决并发问题，但在某些特定情况下，可以适当调整线程优先级，以缓解饥饿现象。但需要注意，线程优先级受到操作系统调度策略的影响，不同平台表现不一致，因此需要谨慎使用。

六、代码示例：读写锁的应用

假设有一个共享的缓存，多个线程可以读取缓存，但只有一个线程可以更新缓存。我们可以使用读写锁来实现这个缓存的并发控制。

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class Cache {

    private final Map<String, Object> cache = new HashMap<>();
    private final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

    public Object get(String key) {
        lock.readLock().lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 读取缓存 key: " + key);
            return cache.get(key);
        } finally {
            lock.readLock().unlock();
        }
    }

    public void put(String key, Object value) {
        lock.writeLock().lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 写入缓存 key: " + key + ", value: " + value);
            cache.put(key, value);
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Cache cache = new Cache();

        // 多个线程读取缓存
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 5; j++) {
                    cache.get("key1");
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }, "Reader-" + i).start();
        }

        // 一个线程写入缓存
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                cache.put("key1", "value" + i);
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "Writer").start();
    }
}

在这个例子中，多个线程可以同时读取缓存，但只有一个线程可以写入缓存。读写锁保证了读操作的并发性，同时避免了写操作的冲突，提高了程序的性能。

七、表格总结：锁饥饿的解决方案

解决方案	优点	缺点	适用场景
使用公平锁	保证线程按照请求顺序获得锁，缓解饥饿风险	上下文切换增加，吞吐量降低	饥饿是一个严重的问题，或者对公平性有较高要求
减少锁的持有时间	减少其他线程的等待时间	需要优化临界区代码，可能增加开发成本	临界区代码可以优化，减少不必要的计算和IO操作
避免长时间阻塞的操作	减少线程阻塞时间	需要使用异步IO或者将操作移到临界区外，增加复杂性	临界区内有长时间阻塞的操作，如IO操作、网络请求等
使用读写锁	提高读操作的并发性	只能用于读多写少的场景	读操作远多于写操作的场景
使用无锁数据结构	避免锁竞争和饥饿	实现复杂，需要保证原子性	可以使用无锁数据结构代替锁的场景，如计数器、缓存等
合理设置线程优先级	缓解饥饿现象	依赖操作系统调度策略，不同平台表现不一致	某些特定情况下，可以适当调整线程优先级，但需要谨慎使用，并充分测试不同平台上的表现

八、总结: 如何选择适当的策略？

锁饥饿是一个需要认真对待的问题，但解决它并没有一劳永逸的方案。我们需要根据具体的应用场景和性能需求，选择合适的策略。公平锁可以缓解饥饿，但会降低性能；减少锁的持有时间可以提高并发性，但需要优化代码；读写锁适用于读多写少的场景；无锁数据结构可以避免锁竞争，但实现复杂。最终，我们需要在公平性、性能和复杂性之间找到一个平衡点，才能有效地解决锁饥饿问题。

Java并发编程：避免锁饥饿与公平性策略

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