JAVA抢占式CPU调度导致线程饥饿的排查思路与公平调度方案
各位同学，大家好！今天我们来聊聊Java抢占式CPU调度可能导致的线程饥饿问题，以及如何进行排查和制定公平调度方案。这是一个在多线程编程中非常重要，但又容易被忽视的话题。
一、理解抢占式调度与线程饥饿
首先，我们需要明确几个概念。
- 抢占式调度： 这是操作系统调度CPU资源的一种方式。操作系统会根据一定的算法（例如优先级、时间片轮转等）来决定哪个线程占用CPU。当一个线程正在运行时，如果另一个优先级更高的线程就绪，操作系统会中断当前线程的执行，将CPU分配给高优先级线程。Java的线程调度是基于底层操作系统的，因此也是抢占式的。
- 线程饥饿： 指的是一个线程因为某种原因，长时间得不到CPU执行机会，导致任务无法完成。线程饥饿与死锁不同，死锁是线程之间相互等待资源，导致所有线程都无法继续执行。而线程饥饿只是部分线程无法获得CPU资源，其他线程仍然可以运行。
抢占式调度虽然能提高系统的响应速度和吞吐量，但也可能导致线程饥饿。如果一个线程的优先级很低，或者总是被其他高优先级线程抢占，那么它就可能长时间得不到执行机会。
二、线程饥饿的常见原因
导致Java线程饥饿的原因有很多，以下是一些常见的场景：
- 优先级反转： 低优先级线程持有一个被高优先级线程需要的资源，导致高优先级线程阻塞等待。当低优先级线程执行时，又可能被其他中等优先级的线程抢占，导致高优先级线程长时间无法获得资源，从而饥饿。
- 不公平锁： 使用非公平锁（例如
synchronized关键字、ReentrantLock默认构造函数）时，线程获取锁的顺序是不确定的。如果总是由某几个线程成功获取锁，其他线程可能长时间无法获得锁，导致饥饿。 - 高负载下的资源竞争： 在高并发场景下，大量线程竞争有限的资源（例如数据库连接、网络连接等）。如果某个线程总是无法获得资源，就会导致饥饿。
- 无限循环或长时间运行的任务： 如果一个线程执行无限循环或者长时间运行的任务，并且没有适当的让出CPU，那么其他线程可能长时间无法获得执行机会。
- 错误的线程优先级设置： 过分依赖线程优先级来控制执行顺序，可能导致低优先级线程一直无法运行。
三、排查线程饥饿的思路与工具
当怀疑存在线程饥饿时，我们需要进行排查。以下是一些常用的思路和工具：
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线程Dump分析： 使用
jstack命令或者VisualVM等工具生成线程Dump文件。分析线程Dump文件，可以查看线程的状态（RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING），以及它们正在等待的资源。重点关注长时间处于BLOCKED或WAITING状态的线程，它们很可能正在经历饥饿。示例：
jstack <pid> > thread_dump.txt打开
thread_dump.txt文件，查找状态为BLOCKED或WAITING的线程。观察它们的堆栈信息，看看它们正在等待什么锁或资源。 -
VisualVM： VisualVM是一个功能强大的Java虚拟机监控工具，可以实时监控线程的状态、CPU使用率、内存使用率等。通过VisualVM，可以观察线程的执行情况，找出长时间处于非RUNNABLE状态的线程。
-
JConsole： JConsole也是一个Java虚拟机监控工具，可以查看线程的信息，包括线程的ID、名称、状态、堆栈信息等。
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日志分析： 在代码中添加适当的日志，记录线程的执行时间、等待时间等信息。通过分析日志，可以找出执行时间过长或者等待时间过长的线程。
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代码审查： 仔细审查代码，特别是涉及到锁、资源竞争、线程优先级等部分。检查是否存在不公平锁、资源竞争激烈、线程优先级设置不合理等问题。
表格：常用排查工具对比
| 工具 | 功能 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| jstack | 生成线程Dump文件，查看线程状态、堆栈信息 | 简单易用，无需启动图形界面，可以生成历史线程Dump文件，方便事后分析 | 需要手动分析线程Dump文件，对于复杂的场景，分析难度较高 |
| VisualVM | 实时监控线程状态、CPU使用率、内存使用率，可以查看线程的堆栈信息、CPU时间等 | 功能强大，界面直观，可以实时监控线程的执行情况，方便找出长时间处于非RUNNABLE状态的线程 | 需要启动图形界面，会占用一定的系统资源，对于生产环境，需要谨慎使用 |
| JConsole | 查看线程的信息，包括线程的ID、名称、状态、堆栈信息等 | 简单易用，可以查看线程的基本信息 | 功能相对简单，不如VisualVM强大 |
| 日志分析 | 记录线程的执行时间、等待时间等信息 | 可以记录线程的执行情况，方便找出执行时间过长或者等待时间过长的线程，可以自定义日志格式，方便进行数据分析 | 需要修改代码，添加日志语句，会增加代码的复杂性，可能会影响程序的性能 |
示例代码：线程Dump分析
假设我们有以下代码，模拟了一个简单的锁竞争场景：
public class LockExample {
private static final Object lock = new Object();
private static int counter = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 创建多个线程竞争锁
for (int i = 0; i < 5; i++) {
new Thread(() -> {
while (true) {
synchronized (lock) {
counter++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + counter);
try {
Thread.sleep(10); // 模拟执行耗时操作
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}, "Thread-" + i).start();
}
Thread.sleep(5000); // 运行5秒钟
// 打印线程Dump信息，用于分析线程状态
// 此处实际操作应使用 jstack 命令，此处只是模拟
// 实际操作： jstack <pid> > thread_dump.txt
System.out.println("Generating thread dump...");
// 模拟生成线程Dump信息（实际应使用jstack）
Thread.getAllStackTraces().forEach((thread, stackTraceElements) -> {
System.out.println("Thread: " + thread.getName() + " - State: " + thread.getState());
for (StackTraceElement element : stackTraceElements) {
System.out.println("t" + element);
}
});
System.out.println("Thread dump generated.");
}
}运行这段代码，然后使用jstack命令生成线程Dump文件。分析线程Dump文件，可以观察到多个线程处于BLOCKED状态，等待获取lock对象。
四、公平调度方案
解决线程饥饿的关键在于提供一个更加公平的调度机制。以下是一些常用的公平调度方案：
-
使用公平锁： 使用
ReentrantLock的公平锁模式，可以保证线程按照请求锁的顺序获得锁。示例：
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class FairLockExample { private static final ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true); // 使用公平锁 public static void main(String[] args) { for (int i = 0; i < 5; i++) { new Thread(() -> { while (true) { fairLock.lock(); try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired the lock"); Thread.sleep(100); // 模拟执行耗时操作 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { fairLock.unlock(); } } }, "Thread-" + i).start(); } } }使用公平锁可以减少线程饥饿的概率，但也会带来一定的性能开销。因为公平锁需要维护一个请求队列，并且在每次释放锁时都需要检查队列中是否有等待的线程。
-
调整线程优先级： 适当调整线程的优先级，可以减少低优先级线程被饿死的概率。但是，不要过分依赖线程优先级来控制执行顺序，因为线程优先级受到操作系统和JVM的影响，可能并不总是如预期那样工作。
示例：
Thread thread = new Thread(() -> { // 线程的逻辑 }); thread.setPriority(Thread.NORM_PRIORITY + 1); // 设置线程优先级 thread.start();尽量避免使用
Thread.MIN_PRIORITY和Thread.MAX_PRIORITY，因为这些优先级可能会导致线程长时间无法获得执行机会。 -
使用
Thread.yield()方法： 在长时间运行的任务中，可以调用Thread.yield()方法，主动让出CPU，给其他线程执行的机会。但是，Thread.yield()方法只是一个建议，操作系统并不一定会采纳。示例：
public class YieldExample { public static void main(String[] args) { new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 1000; i++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i); if (i % 100 == 0) { Thread.yield(); // 让出CPU } } }, "Thread-1").start(); new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 1000; i++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i); if (i % 100 == 0) { Thread.yield(); // 让出CPU } } }, "Thread-2").start(); } } -
使用
ExecutorService和ThreadPoolExecutor： 使用线程池可以更好地管理线程，并且可以设置线程池的调度策略，例如使用PriorityBlockingQueue作为工作队列，可以按照优先级来执行任务。示例：
import java.util.concurrent.*; public class ThreadPoolExample { public static void main(String[] args) { // 创建一个固定大小的线程池 ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5); // 提交任务 for (int i = 0; i < 10; i++) { final int taskNumber = i; executor.submit(() -> { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Task " + taskNumber); try { Thread.sleep(100); // 模拟执行耗时操作 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }); } // 关闭线程池 executor.shutdown(); } }对于需要按照优先级执行的任务，可以使用
ThreadPoolExecutor和PriorityBlockingQueue：import java.util.concurrent.*; public class PriorityThreadPoolExample { static class PriorityTask implements Runnable, Comparable<PriorityTask> { private final int priority; private final String name; public PriorityTask(int priority, String name) { this.priority = priority; this.name = name; } @Override public int compareTo(PriorityTask other) { return Integer.compare(this.priority, other.priority); // 优先级高的先执行 } @Override public void run() { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Task " + name + " with priority " + priority); try { Thread.sleep(100); // 模拟执行耗时操作 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } public static void main(String[] args) { // 创建一个带有优先级的线程池 ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor( 5, // corePoolSize 5, // maximumPoolSize 0L, // keepAliveTime TimeUnit.MILLISECONDS, // unit new PriorityBlockingQueue<Runnable>() // workQueue ); // 提交任务，优先级高的先执行 executor.execute(new PriorityTask(3, "Task-3")); executor.execute(new PriorityTask(1, "Task-1")); executor.execute(new PriorityTask(2, "Task-2")); // 关闭线程池 executor.shutdown(); } } -
避免长时间持有锁： 尽量减少持有锁的时间，避免长时间占用锁导致其他线程无法获得锁。可以将锁的范围缩小到最小，只在必要的时候才加锁。
示例：
public class LockDurationExample { private static final Object lock = new Object(); private static int counter = 0; public void processData(String data) { // 在加锁之前进行一些预处理操作 String processedData = preProcess(data); synchronized (lock) { // 只在需要修改共享变量的时候才加锁 counter++; System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + counter + ", Data: " + processedData); } // 在释放锁之后进行一些后处理操作 postProcess(processedData); } private String preProcess(String data) { // 模拟预处理操作 try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return data.toUpperCase(); } private void postProcess(String data) { // 模拟后处理操作 try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } public static void main(String[] args) { LockDurationExample example = new LockDurationExample(); for (int i = 0; i < 5; i++) { final String data = "Data-" + i; new Thread(() -> { example.processData(data); }, "Thread-" + i).start(); } } } -
使用无锁数据结构： 在某些场景下，可以使用无锁数据结构（例如
ConcurrentHashMap、AtomicInteger等）来代替锁，从而避免线程饥饿。 -
资源隔离： 避免所有线程竞争同一个资源。可以采用资源池化、数据分片等技术，将资源分散到多个线程，减少竞争。
表格：公平调度方案对比
| 方案 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 公平锁 | 保证线程按照请求锁的顺序获得锁，减少线程饥饿的概率 | 性能开销较大，需要维护一个请求队列 | 对公平性要求较高的场景 |
| 调整线程优先级 | 简单易用 | 线程优先级受到操作系统和JVM的影响，可能并不总是如预期那样工作，过度依赖线程优先级可能导致更严重的问题 | 适用于对线程优先级有一定要求的场景，但不能过度依赖 |
Thread.yield() |
简单易用 | 只是一个建议，操作系统并不一定会采纳 | 适用于长时间运行的任务，主动让出CPU，给其他线程执行的机会 |
| 线程池 | 更好地管理线程，可以设置线程池的调度策略 | 需要合理配置线程池的参数，否则可能导致性能问题 | 适用于大量并发任务的场景 |
| 避免长时间持有锁 | 减少线程饥饿的概率 | 需要仔细分析代码，将锁的范围缩小到最小 | 适用于存在锁竞争的场景 |
| 无锁数据结构 | 避免锁竞争，提高性能 | 实现复杂，需要保证线程安全 | 适用于对性能要求较高的场景，但需要仔细考虑线程安全问题 |
| 资源隔离 | 减少资源竞争，提高并发性能 | 需要进行资源规划和管理 | 适用于资源竞争激烈的场景 |
五、总结
总结一下，线程饥饿是一个复杂的问题，需要仔细分析和排查。在实际开发中，我们应该尽量避免导致线程饥饿的场景，并且选择合适的公平调度方案。需要根据具体的应用场景和需求，选择合适的方案，并且进行充分的测试和验证。记住，没有一种方案是万能的，我们需要根据实际情况进行调整和优化。
避免线程饥饿，维护公平调度
理解线程饥饿的常见原因和排查思路，并根据实际情况选择合适的公平调度方案，是保证多线程程序稳定性和性能的关键。希望今天的分享能帮助大家更好地理解和解决Java多线程编程中的线程饥饿问题。