多线程概念部分饥饿

欢迎来到我们的多线程系列的第 2 部分！在第 1 部分中，我们探讨了原子性 和 不变性。

在这一部分中，我们将深入了解饥饿，因为它对于工程师来说至关重要，因为它确保了公平性和系统性能。通过认识饥饿风险，工程师可以设计优先考虑公平性、防止资源垄断并确保所有线程获得必要的 CPU 时间和资源以实现最佳运行的系统。

游戏大厅中永无休止的等待

想象一下您正在玩在线多人游戏，并且您正在尝试加入流行游戏模式的大厅，例如团队战斗。你已经在大厅等待了一段时间，但每次比赛开始时，一批网速更快或技能排名更高的新玩家都会优先添加到游戏中。你看到比赛一遍又一遍地开始，但你似乎从来没有进去过！

从技术上讲，您已经在队列中，但由于响应时间更快或排名更高的其他玩家不断先进入游戏，因此您会无限期地留在大厅中。尽管拥有功能完美的系统，但由于匹配算法不公平地优先考虑其他人，您被剥夺了玩游戏的机会。

1. 饥饿

饥饿是指进程不断被拒绝访问其继续运行所需的资源，即使这些资源可用。该进程保持等待状态，因为较高优先级的进程或其他资源分配策略阻止它获取必要的资源。与死锁不同，资源并不是完全不可用，而是进程由于调度不公平而无法访问它们。

2. 原因

• 优先级反转：当较高优先级进程正在等待较低优先级进程所持有的资源时，如果其他较高优先级进程正在等待较低优先级进程的 CPU 时间，则较低优先级进程可能会缺乏 CPU 时间。进程不断到达。

• 资源分配策略：某些调度算法可能会偏向某些进程（通常是优先级较高的进程），导致优先级较低的进程很少被分配资源。

• 设计不佳的算法：如果资源分配算法不平衡或不公平，可能会导致某些流程不断被忽视。

• 高资源需求：如果少数进程需要过多的资源，它们可能会通过独占这些资源而导致其他进程挨饿。

• 等待时间长：经常被抢占或发现自己在竞争有限资源的进程可能会遇到饥饿。

3. 防止饥饿

• 公平地使用 ReentrantLock

Java 的 ReentrantLock 提供了一个强制公平的选项。通过使用带有 true 参数的 ReentrantLock 构造函数，我们可以确保线程以先来先服务 (FCFS) 的方式获取锁，从而防止饥饿。

private final Lock lock = new ReentrantLock(true); // Fair lock

• 使用信号量实现公平资源共享

信号量用于控制对有限数量资源的访问。通过使用启用公平性的信号量，我们可以确保线程以公平的顺序获取许可，避免饥饿。

private final Semaphore sp = new Semaphore(1, true); // Fair semaphore

Semaphore(1, true) 是一种只有一个许可且启用公平性的信号量。

• 避免生产者-消费者问题中的饥饿（使用 BlockingQueue）

在传统的生产者-消费者问题中，如果生产者压倒消费者或者消费者被拒绝访问共享资源，则可能会发生饥饿。 BlockingQueue 可以防止这种情况发生，因为它会自动处理生产者和消费者之间的同步。当队列已满或为空时，生产者和消费者分别被阻塞。这确保了两者之间的公平平衡，并防止其中一个压倒另一个，从而避免饥饿。

• 使用Java的ForkJoinPool进行公平任务调度

在多个任务被 fork 和 join 的场景中，Java 中的 ForkJoinPool 提供了一种在线程之间公平地平衡工作的方法。它确保工作窃取，防止活动较少的线程出现饥饿现象。 Java 的 ForkJoinPool 可以有效地处理任务分割和平衡，确保没有线程因工作而饿死。这是通过使用工作窃取算法来实现的，其中空闲线程从繁忙线程中窃取任务，以保持一切顺利进行

4. 操作系统如何防止饥饿

操作系统 (OS) 使用各种技术来避免饥饿，即由于较高优先级的任务占据主导地位，某些进程或线程长时间无法获得必要的资源（例如 CPU 时间、内存或 I/O 访问）的情况。以下是操作系统防止饥饿的一些常见方法：

No.	Method	Description	Prevents Starvation By
1	Aging	Gradually increases priority of waiting processes.	Prevents long waits by adjusting priority based on wait time.
2	Round-Robin Scheduling	Allocates CPU time in a fixed cyclic order.	Ensures all processes get CPU time, avoiding starvation.
3	Completely Fair Scheduler	Allocates CPU based on fairness, independent of priority.	Ensures fair distribution of CPU time.
4	Priority Boosting	Temporarily raises the priority of starved processes holding important resources.	Prevents priority inversion and ensures high-priority tasks get needed resources.
5	Multilevel Feedback Queues	Dynamically adjusts process priorities based on behavior.	Promotes long-waiting processes to higher-priority queues.
6	Semaphores with Fairness	Ensures fair access to resources through FIFO queues.	Prevents low-priority tasks from being perpetually blocked by higher-priority tasks.
7	Fair Resource Allocation	Distributes system resources like CPU and memory based on process demand and need.	Prevents resource-hogging processes from starving others.
8	Fair I/O Scheduling	Prioritizes I/O requests to ensure timely completion for all processes.	Prevents disk I/O starvation for processes making low-priority requests.

通过实施这些策略，操作系统可以确保没有进程或线程无限期地缺乏资源，从而促进更公平、更高效地使用系统资源。

软件工程师的要点

• 饥饿是一个进度问题，其中进程不断被拒绝访问资源，但不一定涉及其他进程在死锁循环中阻塞它。往往是由于调度或资源分配不公平造成的。
• 饥饿即使它需要的资源可用，也会发生，但它永远没有机会获取它。
• 即使系统没有死锁，饥饿也会发生。
• 饥饿可能是死锁预防的副作用（例如，优先考虑某些进程以避免死锁），因此平衡公平性与避免死锁策略至关重要。

参考

非常感谢在线文档、社区和所有可用资源，使本文成为可能。

1. 多线程概念第 1 部分：原子性和不变性
2. Stackoverflow
3. 信息图形

以上是多线程概念部分饥饿的详细内容。更多信息请关注PHP中文网其他相关文章！