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如何解決在Java中使用輪詢鎖時遇到的問題？

WBOY轉載: 2023-05-09 17:10:081266瀏覽

問題示範

當我們沒有使用輪詢鎖定之前，可能會出現這樣的問題：

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(); // 创建锁 A
        Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B

        // 创建线程 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:等待获取 B...");
                    lockB.lock(); // 加锁
                    try {
                        System.out.println("线程 1:获取到锁 B!");
                    } finally {
                        lockA.unlock(); // 释放锁
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lockA.unlock(); // 释放锁
                }
            }
        });
        t1.start(); // 运行线程

        // 创建线程 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:等待获取 A...");
                    lockA.lock(); // 加锁
                    try {
                        System.out.println("线程 2:获取到锁 A!");
                    } finally {
                        lockA.unlock(); // 释放锁
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lockB.unlock(); // 释放锁
                }
            }
        });
        t2.start(); // 运行线程
    }
}

以上程式碼的執行結果如下：

如何解決在Java中使用輪詢鎖時遇到的問題？

從上述結果可以看出，此時程式中出現了線程相互等待，並嘗試獲取對方（鎖）資源的情況，這就是典型的死鎖問題了。

簡易版輪詢鎖

當出現死鎖問題之後，我們就可以使用輪詢鎖來解決它了，它的實現想法是透過輪詢的方式來取得多個鎖，如果中途有任意一個鎖獲取失敗，則執行回退操作，釋放當前線程擁有的所有鎖，等待下一次重新執行，這樣就可以避免多個線程同時擁有並霸占鎖資源了，從而直接解決了死鎖的問題，簡易版的輪詢鎖定實作如下：

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(); // 创建锁 A
        Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B

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

        // 创建线程 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:等待获取 A...");
                    lockA.lock(); // 加锁
                    try {
                        System.out.println("线程 2:获取到锁 A!");
                    } finally {
                        lockA.unlock(); // 释放锁
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lockB.unlock(); // 释放锁
                }
            }
        });
        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:等待获取 B...");
                    if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁
                        try {
                            System.out.println("线程 1:获取到锁 B!");
                        } finally {
                            lockB.unlock(); // 释放锁
                            System.out.println("线程 1:释放锁 B.");
                            break;
                        }
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lockA.unlock(); // 释放锁
                    System.out.println("线程 1:释放锁 A.");
                }
            }
            // 等待一秒再继续执行
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

以上程式碼的執行結果如下：

如何解決在Java中使用輪詢鎖時遇到的問題？

從上述結果可以看出，當我們在程式中使用輪詢鎖之後就不會出現死鎖的問題了，但以上輪詢鎖也並不是完美無缺的，下面我們來看看這個輪詢鎖會有什麼樣的問題？

問題1：死循環

以上簡易版的輪詢鎖，如果遇到有一個執行緒一直霸占或長時間霸占鎖資源的情況，就會導致這個輪詢鎖進入死循環的狀態，它會嘗試一直取得鎖定資源，這樣就會造成新的問題，帶來不必要的效能開銷，具體示例如下。

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(); // 创建锁 A
        Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B

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

        // 创建线程 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:等待获取 A...");
                    lockA.lock(); // 加锁
                    try {
                        System.out.println("线程 2:获取到锁 A!");
                    } finally {
                        lockA.unlock(); // 释放锁
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    // 如果此处代码未执行，线程 2 一直未释放锁资源
                    // 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:等待获取 B...");
                    if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁
                        try {
                            System.out.println("线程 1:获取到锁 B!");
                        } finally {
                            lockB.unlock(); // 释放锁
                            System.out.println("线程 1:释放锁 B.");
                            break;
                        }
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lockA.unlock(); // 释放锁
                    System.out.println("线程 1:释放锁 A.");
                }
            }
            // 等待一秒再继续执行
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

以上程式碼的執行結果如下：

如何解決在Java中使用輪詢鎖時遇到的問題？

從上述結果可以看出，執行緒1 輪詢鎖進入了死循環的狀態。

優化版

針對以上死循環的情況，我們可以改進的想法有以下兩種：

#新增最大次數限制：

如果經過了n 次嘗試取得鎖定之後，尚未取得到鎖，則認為取得鎖定失敗，執行失敗原則之後終止輪詢（失敗原則可以是記錄日誌或其他動作） ;

如何解決在Java中使用輪詢鎖時遇到的問題？

新增最大時長限制：

如果經過了n 秒嘗試取得鎖定之後，還未取得到鎖，則認為取得鎖定失敗，執行失敗策略之後終止輪詢。

以上策略選擇性其一就可以解決死循環的問題，出於實現成本的考慮，我們可以採用輪詢最大次數的方式來改進輪詢鎖，

具體實作程式碼如下：

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(); // 创建锁 A
        Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B

        // 创建线程 1(使用轮询锁)
        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

        // 创建线程 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:等待获取 A...");
                    lockA.lock(); // 加锁
                    try {
                        System.out.println("线程 2:获取到锁 A!");
                    } finally {
                        lockA.unlock(); // 释放锁
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    // 线程 2 忘记释放锁资源
                    // lockB.unlock(); // 释放锁
                }
            }
        });
        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:等待获取 B...");
                    if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁
                        try {
                            System.out.println("线程 1:获取到锁 B!");
                        } finally {
                            lockB.unlock(); // 释放锁
                            System.out.println("线程 1:释放锁 B.");
                            break;
                        }
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lockA.unlock(); // 释放锁
                    System.out.println("线程 1:释放锁 A.");
                }
            }

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

            // 等待一秒再继续尝试获取锁
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

以上程式碼的執行結果如下：

如何解決在Java中使用輪詢鎖時遇到的問題？

從以上結果可以看出，當我們改進之後，輪詢鎖就不會出現死循環的問題了，它會嘗試一定次數之後終止執行。問題2：執行緒餓死

如何解決在Java中使用輪詢鎖時遇到的問題？我們以上的輪詢鎖的輪詢等待時間是固定時間，如下程式碼所示：

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

這樣在特殊情況下會造成線程餓死的問題，也就是輪詢鎖一直取得不到鎖的問題，例如以下範例。

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(); // 创建锁 A
        Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B

        // 创建线程 1(使用轮询锁)
        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

        // 创建线程 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:等待获取 A...");
                        lockA.lock(); // 加锁
                        try {
                            System.out.println("线程 2:获取到锁 A!");
                        } finally {
                            lockA.unlock(); // 释放锁
                        }
                    } finally {
                        lockB.unlock(); // 释放锁
                    }
                    // 等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); // 等待 0.1s(获取锁需要的时间)
                    System.out.println("线程 1:等待获取 B...");
                    if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁
                        try {
                            System.out.println("线程 1:获取到锁 B!");
                        } finally {
                            lockB.unlock(); // 释放锁
                            System.out.println("线程 1:释放锁 B.");
                            break;
                        }
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lockA.unlock(); // 释放锁
                    System.out.println("线程 1:释放锁 A.");
                }
            }

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

            // 等待一秒再继续尝试获取锁
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

以上程式碼的執行結果如下：

從上述結果可以看出，執行緒1（輪詢鎖）一直未成功取得到鎖，造成這種結果的原因是：線程1 每次輪詢的等待時間為固定的1s，而線程2 也是相同的頻率，每1s 獲取一次鎖，這樣就會導致執行緒2 會一直先成功取得到鎖定，而執行緒1 則會一直處於「餓死」的情況，如何解決在Java中使用輪詢鎖時遇到的問題？執行流程如下圖所示：

#### #####優化版######接下來，我們可以將輪詢鎖的固定等待時間，###改進為固定時間隨機時間的方式###，這樣就可以避免因為取得鎖的頻率一致，而造成輪詢鎖「餓死」的問題了，###具體實作程式碼如下：######

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(); // 创建锁 A
        Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B

        // 创建线程 1(使用轮询锁)
        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

        // 创建线程 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:等待获取 A...");
                        lockA.lock(); // 加锁
                        try {
                            System.out.println("线程 2:获取到锁 A!");
                        } finally {
                            lockA.unlock(); // 释放锁
                        }
                    } finally {
                        lockB.unlock(); // 释放锁
                    }
                    // 等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); // 等待 0.1s(获取锁需要的时间)
                    System.out.println("线程 1:等待获取 B...");
                    if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁
                        try {
                            System.out.println("线程 1:获取到锁 B!");
                        } finally {
                            lockB.unlock(); // 释放锁
                            System.out.println("线程 1:释放锁 B.");
                            break;
                        }
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lockA.unlock(); // 释放锁
                    System.out.println("线程 1:释放锁 A.");
                }
            }

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

            // 等待一定时间(固定时间 + 随机时间)之后再继续尝试获取锁
            try {
                Thread.sleep(300 + rdm.nextInt(8) * 100); // 固定时间 + 随机时间
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

######以上程式碼的執行結果如下：###### ############從上述結果可以看出，線程1（輪詢鎖）加入隨機等待時間之後就不會出現線程餓死的問題了。 ###

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如何解決在Java中使用輪詢鎖時遇到的問題？

問題示範

簡易版輪詢鎖

問題1：死循環

反例

優化版

如果經過了n 秒嘗試取得鎖定之後，還未取得到鎖，則認為取得鎖定失敗，執行失敗策略之後終止輪詢。

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

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