关于java:轮询锁在使用时遇到的问题与解决方案

当咱们遇到死锁之后，除了能够手动重启程序解决之外，还能够思考是应用程序锁和轮询锁，这部分的内容能够参考我的上一篇文章，这里就不再赘述了。然而，轮询锁在应用的过程中，如果使用不当会带来新的重大问题，所以本篇咱们就来理解一下这些问题，以及相应的解决方案。

问题演示

当咱们没有应用轮询锁之前，可能会呈现这样的问题：

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

public class DeadLockByReentrantLock {public static void main(String[] args) {Lock lockA = new ReentrantLock(); // 创立锁 A
        Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创立锁 B

        // 创立线程 1
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {lockA.lock(); // 加锁
                System.out.println("线程 1: 获取到锁 A!");
                try {Thread.sleep(1000);
                    System.out.println("线程 1: 期待获取 B...");
                    lockB.lock(); // 加锁
                    try {System.out.println("线程 1: 获取到锁 B!");
                    } finally {lockA.unlock(); // 开释锁
                    }
                } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                } finally {lockA.unlock(); // 开释锁
                }
            }
        });
        t1.start(); // 运行线程

        // 创立线程 2
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {lockB.lock(); // 加锁
                System.out.println("线程 2: 获取到锁 B!");
                try {Thread.sleep(1000);
                    System.out.println("线程 2: 期待获取 A...");
                    lockA.lock(); // 加锁
                    try {System.out.println("线程 2: 获取到锁 A!");
                    } finally {lockA.unlock(); // 开释锁
                    }
                } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                } finally {lockB.unlock(); // 开释锁
                }
            }
        });
        t2.start(); // 运行线程}
}

以上代码的执行后果如下：

从上述后果能够看出，此时程序中呈现了线程互相期待，并尝试获取对方（锁）资源的状况，这就是典型的死锁问题了。

简易版轮询锁

当呈现死锁问题之后，咱们就能够应用轮询锁来解决它了，它的实现思路是通过轮询的形式来获取多个锁，如果中途有任意一个锁获取失败，则执行回退操作，开释以后线程领有的所有锁，期待下一次从新执行，这样就能够防止多个线程同时领有并霸占锁资源了，从而间接解决了死锁的问题，简易版的轮询锁实现如下：

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

public class SolveDeadLockExample2 {public static void main(String[] args) {Lock lockA = new ReentrantLock(); // 创立锁 A
        Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创立锁 B

        // 创立线程 1(应用轮询锁)
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // 调用轮询锁
                pollingLock(lockA, lockB);
            }
        });
        t1.start(); // 运行线程

        // 创立线程 2
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {lockB.lock(); // 加锁
                System.out.println("线程 2: 获取到锁 B!");
                try {Thread.sleep(1000);
                    System.out.println("线程 2: 期待获取 A...");
                    lockA.lock(); // 加锁
                    try {System.out.println("线程 2: 获取到锁 A!");
                    } finally {lockA.unlock(); // 开释锁
                    }
                } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                } finally {lockB.unlock(); // 开释锁
                }
            }
        });
        t2.start(); // 运行线程}

    /**
     * 轮询锁
     */
    private static void pollingLock(Lock lockA, Lock lockB) {
        // 轮询锁
        while (true) {if (lockA.tryLock()) { // 尝试获取锁
                System.out.println("线程 1: 获取到锁 A!");
                try {Thread.sleep(1000);
                    System.out.println("线程 1: 期待获取 B...");
                    if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁
                        try {System.out.println("线程 1: 获取到锁 B!");
                        } finally {lockB.unlock(); // 开释锁
                            System.out.println("线程 1: 开释锁 B.");
                            break;
                        }
                    }
                } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                } finally {lockA.unlock(); // 开释锁
                    System.out.println("线程 1: 开释锁 A.");
                }
            }
            // 期待一秒再继续执行
            try {Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

以上代码的执行后果如下：

从上述后果能够看出，当咱们在程序中应用轮询锁之后就不会呈现死锁的问题了，但以上轮询锁也并不是白璧无瑕的，上面咱们来看看这个轮询锁会有什么样的问题？

问题 1：死循环

以上简易版的轮询锁，如果遇到有一个线程始终霸占或者长时间霸占锁资源的状况，就会导致这个轮询锁进入死循环的状态，它会尝试始终获取锁资源，这样就会造成新的问题，带来不必要的性能开销，具体示例如下。

反例

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

public class SolveDeadLockExample {public static void main(String[] args) {Lock lockA = new ReentrantLock(); // 创立锁 A
        Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创立锁 B

        // 创立线程 1(应用轮询锁)
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // 调用轮询锁
                pollingLock(lockA, lockB);
            }
        });
        t1.start(); // 运行线程

        // 创立线程 2
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {lockB.lock(); // 加锁
                System.out.println("线程 2: 获取到锁 B!");
                try {Thread.sleep(1000);
                    System.out.println("线程 2: 期待获取 A...");
                    lockA.lock(); // 加锁
                    try {System.out.println("线程 2: 获取到锁 A!");
                    } finally {lockA.unlock(); // 开释锁
                    }
                } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                } finally {
                    // 如果此处代码未执行，线程 2 始终未开释锁资源
                    // lockB.unlock();}
            }
        });
        t2.start(); // 运行线程}

    /**
     * 轮询锁
     */
    public static void pollingLock(Lock lockA, Lock lockB) {while (true) {if (lockA.tryLock()) { // 尝试获取锁
                System.out.println("线程 1: 获取到锁 A!");
                try {Thread.sleep(1000);
                    System.out.println("线程 1: 期待获取 B...");
                    if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁
                        try {System.out.println("线程 1: 获取到锁 B!");
                        } finally {lockB.unlock(); // 开释锁
                            System.out.println("线程 1: 开释锁 B.");
                            break;
                        }
                    }
                } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                } finally {lockA.unlock(); // 开释锁
                    System.out.println("线程 1: 开释锁 A.");
                }
            }
            // 期待一秒再继续执行
            try {Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

以上代码的执行后果如下：

从上述后果能够看出，线程 1 轮询锁进入了死循环的状态。

优化版

针对以上死循环的状况，咱们能够改良的思路有以下两种：

1. 增加最大次数限度：如果通过了 n 次尝试获取锁之后，还未获取到锁，则认为获取锁失败，执行失败策略之后终止轮询（失败策略能够是记录日志或其余操作）；
2. 增加最大时长限度：如果通过了 n 秒尝试获取锁之后，还未获取到锁，则认为获取锁失败，执行失败策略之后终止轮询。

以上策略任选其一就能够解决死循环的问题，出于实现老本的思考，咱们能够采纳轮询最大次数的形式来改良轮询锁，具体实现代码如下：

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

public class SolveDeadLockExample {public static void main(String[] args) {Lock lockA = new ReentrantLock(); // 创立锁 A
        Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创立锁 B

        // 创立线程 1(应用轮询锁)
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // 调用轮询锁
                pollingLock(lockA, lockB, 3);
            }
        });
        t1.start(); // 运行线程

        // 创立线程 2
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {lockB.lock(); // 加锁
                System.out.println("线程 2: 获取到锁 B!");
                try {Thread.sleep(1000);
                    System.out.println("线程 2: 期待获取 A...");
                    lockA.lock(); // 加锁
                    try {System.out.println("线程 2: 获取到锁 A!");
                    } finally {lockA.unlock(); // 开释锁
                    }
                } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                } finally {
                    // 线程 2 遗记开释锁资源
                    // lockB.unlock(); // 开释锁}
            }
        });
        t2.start(); // 运行线程}

    /**
     * 轮询锁
     *
     * maxCount：最大轮询次数
     */
    public static void pollingLock(Lock lockA, Lock lockB, int maxCount) {
        // 轮询次数计数器
        int count = 0;
        while (true) {if (lockA.tryLock()) { // 尝试获取锁
                System.out.println("线程 1: 获取到锁 A!");
                try {Thread.sleep(1000);
                    System.out.println("线程 1: 期待获取 B...");
                    if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁
                        try {System.out.println("线程 1: 获取到锁 B!");
                        } finally {lockB.unlock(); // 开释锁
                            System.out.println("线程 1: 开释锁 B.");
                            break;
                        }
                    }
                } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                } finally {lockA.unlock(); // 开释锁
                    System.out.println("线程 1: 开释锁 A.");
                }
            }

            // 判断是否曾经超过最大次数限度
            if (count++ > maxCount) {
                // 终止循环
                System.out.println("轮询锁获取失败, 记录日志或执行其余失败策略");
                return;
            }

            // 期待一秒再持续尝试获取锁
            try {Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

以上代码的执行后果如下：

从以上后果能够看出，当咱们改良之后，轮询锁就不会呈现死循环的问题了，它会尝试肯定次数之后终止执行。

问题 2：线程饿死

咱们以上的轮询锁的轮询等待时间是固定工夫，如下代码所示：

// 期待 1s 再尝试获取（轮询）锁
try {Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
}

这样在非凡状况下会造成线程饿死的问题，也就是轮询锁始终获取不到锁的问题，比方以下示例。

反例

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

public class SolveDeadLockExample {public static void main(String[] args) {Lock lockA = new ReentrantLock(); // 创立锁 A
        Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创立锁 B

        // 创立线程 1(应用轮询锁)
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // 调用轮询锁
                pollingLock(lockA, lockB, 3);
            }
        });
        t1.start(); // 运行线程

        // 创立线程 2
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {while (true) {lockB.lock(); // 加锁
                    System.out.println("线程 2: 获取到锁 B!");
                    try {System.out.println("线程 2: 期待获取 A...");
                        lockA.lock(); // 加锁
                        try {System.out.println("线程 2: 获取到锁 A!");
                        } finally {lockA.unlock(); // 开释锁
                        }
                    } finally {lockB.unlock(); // 开释锁
                    }
                    // 期待一秒之后继续执行
                    try {Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        });
        t2.start(); // 运行线程}

    /**
     * 轮询锁
     */
    public static void pollingLock(Lock lockA, Lock lockB, int maxCount) {
        // 循环次数计数器
        int count = 0;
        while (true) {if (lockA.tryLock()) { // 尝试获取锁
                System.out.println("线程 1: 获取到锁 A!");
                try {Thread.sleep(100); // 期待 0.1s(获取锁须要的工夫)
                    System.out.println("线程 1: 期待获取 B...");
                    if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁
                        try {System.out.println("线程 1: 获取到锁 B!");
                        } finally {lockB.unlock(); // 开释锁
                            System.out.println("线程 1: 开释锁 B.");
                            break;
                        }
                    }
                } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                } finally {lockA.unlock(); // 开释锁
                    System.out.println("线程 1: 开释锁 A.");
                }
            }

            // 判断是否曾经超过最大次数限度
            if (count++ > maxCount) {
                // 终止循环
                System.out.println("轮询锁获取失败, 记录日志或执行其余失败策略");
                return;
            }

            // 期待一秒再持续尝试获取锁
            try {Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

以上代码的执行后果如下：

从上述后果能够看出，线程 1（轮询锁）始终未胜利获取到锁，造成这种后果的起因是：线程 1 每次轮询的等待时间为固定的 1s，而线程 2 也是雷同的频率，每 1s 获取一次锁，这样就会导致线程 2 会始终先胜利获取到锁，而线程 1 则会始终处于“饿死”的状况，执行流程如下图所示：

优化版

接下来，咱们能够将轮询锁的固定等待时间，改良为固定工夫 + 随机工夫的形式，这样就能够防止因为获取锁的频率统一，而造成轮询锁“饿死”的问题了，具体实现代码如下：

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

public class SolveDeadLockExample {private static Random rdm = new Random();

    public static void main(String[] args) {Lock lockA = new ReentrantLock(); // 创立锁 A
        Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创立锁 B

        // 创立线程 1(应用轮询锁)
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // 调用轮询锁
                pollingLock(lockA, lockB, 3);
            }
        });
        t1.start(); // 运行线程

        // 创立线程 2
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {while (true) {lockB.lock(); // 加锁
                    System.out.println("线程 2: 获取到锁 B!");
                    try {System.out.println("线程 2: 期待获取 A...");
                        lockA.lock(); // 加锁
                        try {System.out.println("线程 2: 获取到锁 A!");
                        } finally {lockA.unlock(); // 开释锁
                        }
                    } finally {lockB.unlock(); // 开释锁
                    }
                    // 期待一秒之后继续执行
                    try {Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        });
        t2.start(); // 运行线程}

    /**
     * 轮询锁
     */
    public static void pollingLock(Lock lockA, Lock lockB, int maxCount) {
        // 循环次数计数器
        int count = 0;
        while (true) {if (lockA.tryLock()) { // 尝试获取锁
                System.out.println("线程 1: 获取到锁 A!");
                try {Thread.sleep(100); // 期待 0.1s(获取锁须要的工夫)
                    System.out.println("线程 1: 期待获取 B...");
                    if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁
                        try {System.out.println("线程 1: 获取到锁 B!");
                        } finally {lockB.unlock(); // 开释锁
                            System.out.println("线程 1: 开释锁 B.");
                            break;
                        }
                    }
                } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                } finally {lockA.unlock(); // 开释锁
                    System.out.println("线程 1: 开释锁 A.");
                }
            }

            // 判断是否曾经超过最大次数限度
            if (count++ > maxCount) {
                // 终止循环
                System.out.println("轮询锁获取失败, 记录日志或执行其余失败策略");
                return;
            }

            // 期待肯定工夫 (固定工夫 + 随机工夫) 之后再持续尝试获取锁
            try {Thread.sleep(300 + rdm.nextInt(8) * 100); // 固定工夫 + 随机工夫
            } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

以上代码的执行后果如下：

从上述后果能够看出，线程 1（轮询锁）退出随机等待时间之后就不会呈现线程饿死的问题了。

总结

本文咱们介绍了轮询锁的用处，用于解决死锁问题，但简易版的轮询锁在某些状况下会造成死循环和线程饿死的问题，因而咱们对轮询锁进行了优化，给轮询锁退出了最大轮询次数，以及随机轮询等待时间，这样就能够解决因为引入轮询锁而造成的新问题了，这样就能够欢快的应用它来解决死锁的问题了。

参考 & 鸣谢

《Java 并发编程实战》
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