1. 概述
虽然多线程有助于提高应用程序的性能，但它也带来了一些问题。在本教程中，我们将在Java示例的帮助下研究两个这样的问题，死锁和活锁。
2. 死锁
2.1 什么是死锁？
当两个或多个线程永远等待另一个线程持有的锁或资源时，就会发生死锁。因此，应用程序可能会停止或失败，因为死锁线程无法继续运行。
经典的哲学家进餐问题很好地演示了多线程环境中的同步问题，并且经常被用作死锁的示例。
2.2 死锁示例
首先，让我们看一个简单的Java示例来理解死锁。
在这个例子中，我们将创建两个线程T1和T2，线程T1调用operation1，线程T2调用operation2。
为了完成它们的操作，线程T1需要先获取lock1然后再获取lock2，而线程T2需要先获取lock2然后再获取lock1。因此，基本上，两个线程都试图以相反的顺序获取锁。
现在，让我们编写DeadlockExample类：
public class DeadlockExample {
private final Lock lock1 = new ReentrantLock(true);
private final Lock lock2 = new ReentrantLock(true);
public static void main(String[] args) {
DeadlockExample deadlock = new DeadlockExample();
new Thread(deadlock::operation1, "T1").start();
new Thread(deadlock::operation2, "T2").start();
}
public void operation1() {
lock1.lock();
print("lock1 acquired, waiting to acquire lock2.");
sleep(50);
lock2.lock();
print("lock2 acquired");
print("executing first operation.");
lock2.unlock();
lock1.unlock();
}
public void operation2() {
lock2.lock();
print("lock2 acquired, waiting to acquire lock1.");
sleep(50);
lock1.lock();
print("lock1 acquired");
print("executing second operation.");
lock1.unlock();
lock2.unlock();
}
public void print(String message) {
System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + ": " + message);
}
public void sleep(long millis) {
try {
Thread.sleep(millis);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
现在让我们运行这个死锁示例并注意输出：
Thread T1: lock1 acquired, waiting to acquire lock2.
Thread T2: lock2 acquired, waiting to acquire lock1.
一旦我们运行该程序，我们可以看到该程序导致死锁并且永远不会退出。日志显示线程T1正在等待由线程T2持有的lock2，同样，线程T2正在等待由线程T1持有的lock1。
2.3 避免死锁
死锁是Java中常见的并发问题。因此，我们应该设计一个Java应用程序来避免任何潜在的死锁情况。
首先，我们应该避免为一个线程获取多个锁的需要。但是，如果一个线程确实需要多个锁，我们应该确保每个线程以相同的顺序获取锁，以避免锁获取中的任何循环依赖。
我们还可以使用定时锁尝试，例如Lock接口中的tryLock方法，以确保线程在无法获取锁时不会无限阻塞。
3. 活锁
3.1 什么是活锁？
活锁是另一个并发问题，类似于死锁。在活锁中，两个或多个线程不断在彼此之间传输状态，而不是像我们在死锁示例中看到的那样无限等待。因此，线程无法执行它们各自的任务。
活锁的一个很好的例子是消息传递系统，当发生异常时，消息消费者回滚事务并将消息放回队列的头部。然后从队列中重复读取相同的消息，只会导致另一个异常并被放回队列中，消费者永远不会从队列中获取任何其他消息。
3.2 活锁示例
现在，为了演示活锁条件，我们将采用我们之前讨论过的相同死锁示例。同样在此示例中，线程T1调用operation1，线程T2调用operation2。但是，我们将稍微改变这些操作的逻辑。
两个线程都需要两个锁来完成它们的工作。每个线程都获得了它的第一个锁，但发现第二个锁不可用。因此，为了让另一个线程先完成，每个线程释放它的第一个锁并尝试再次获取这两个锁。
让我们用LiveLockExample类来演示活锁：
public class LiveLockExample {
private final Lock lock1 = new ReentrantLock(true);
private final Lock lock2 = new ReentrantLock(true);
public static void main(String[] args) {
LiveLockExample liveLock = new LiveLockExample();
new Thread(liveLock::operation1, "T1").start();
new Thread(liveLock::operation2, "T2").start();
}
public void operation1() {
while (true) {
tryLock(lock1, 50);
print("lock1 acquired, trying to acquire lock2.");
sleep(50);
if (tryLock(lock2)) {
print("lock2 acquired.");
} else {
print("cannot acquire lock2, releasing lock1.");
lock1.unlock();
continue;
}
print("executing first operation.");
break;
}
lock2.unlock();
lock1.unlock();
}
public void operation2() {
while (true) {
tryLock(lock2, 50);
print("lock2 acquired, trying to acquire lock1.");
sleep(50);
if (tryLock(lock1)) {
print("lock1 acquired.");
} else {
print("cannot acquire lock1, releasing lock2.");
lock2.unlock();
continue;
}
print("executing second operation.");
break;
}
lock1.unlock();
lock2.unlock();
}
public void print(String message) {
System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + ": " + message);
}
public void sleep(long millis) {
try {
Thread.sleep(millis);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public void tryLock(Lock lock, long millis) {
try {
lock.tryLock(millis, TimeUnit.MILLISECONDS);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public boolean tryLock(Lock lock) {
return lock.tryLock();
}
}
现在，让我们运行这个例子：
Thread T2: lock2 acquired, trying to acquire lock1.
Thread T1: lock1 acquired, trying to acquire lock2.
Thread T2: cannot acquire lock1, releasing lock2.
Thread T2: lock2 acquired, trying to acquire lock1.
Thread T1: cannot acquire lock2, releasing lock1.
Thread T1: lock1 acquired, trying to acquire lock2.
Thread T2: cannot acquire lock1, releasing lock2.
Thread T2: lock2 acquired, trying to acquire lock1.
Thread T1: cannot acquire lock2, releasing lock1.
Thread T1: lock1 acquired, trying to acquire lock2.
...
正如我们在日志中看到的，两个线程都在重复获取和释放锁。因此，没有一个线程能够完成操作。
3.3 避免活锁
为了避免活锁，我们需要知道导致活锁的条件，然后提出相应的解决方案。
例如，如果我们有两个线程在重复获取和释放锁，导致活锁，我们可以设计代码，让线程以随机间隔重试获取锁。这将为线程提供获得所需锁的公平机会。
在我们之前讨论的消息传递系统示例中，解决活性问题的另一种方法是将失败的消息放在单独的队列中进行进一步处理，而不是将它们再次放回同一个队列中。
4. 总结
在本教程中，我们讨论了死锁和活锁。此外，我们还研究了Java示例来演示这些问题中的每一个，并简要介绍了如何避免这些问题。
与往常一样，本教程的完整源代码可在GitHub上获得。
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