饥饿线程

本文探讨了线程饥饿现象,即低优先级线程因高优先级线程持续占用CPU资源而无法运行的问题。通过Java代码示例,对比了ReentrantReadWriteLock与StampedLock在解决线程饥饿上的表现,介绍了StampedLock的乐观锁机制及其局限性。

定义

如果一个线程因为CPU被其他线程全部占有而始终抢不到CPU的运行时间,那么这个线程就是饥饿线程。

实例

由于线程t1的优先级为9,线程t2的优先级为1(最低),造成t2很难抢到CPU的运行时间。


import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class HungryThread{
    ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    void write(){
        readWriteLock.writeLock().lock();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        readWriteLock.writeLock().unlock();
    }
    void read(){
        readWriteLock.readLock().lock();
        System.out.println("read");
        readWriteLock.readLock().unlock();
    }

    public static void main(String[] args) {
        HungryThread hungryThread = new HungryThread();

        Thread t1 = new Thread(()->{
            //不停去拿写锁,拿到后sleep一段时间,释放
            while (true) {
                hungryThread.write();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(()->{
            //不停去拿读锁,虽然是读锁,但是...看下面!
            while (true){
                hungryThread.read();
            }
        });
		
        t1.setPriority(9);
        //优先级低!
        t2.setPriority(1);

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

解决方案 StampedLock

采用乐观锁机制,判断有没有线程占据锁,没有的话直接执行。


import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class StampedThread {
    StampedLock lock = new StampedLock();
    void write(){
        long stamp = lock.writeLock();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        lock.unlock(stamp);
    }
    void read(){
        //乐观读
        long stamp = lock.tryOptimisticRead();
        //判断是否有写在进行,没占用的话,得到执行,打印read
        if (lock.validate(stamp)){
            System.out.println("read");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        StampedThread stampedThread = new StampedThread();

        Thread t1 = new Thread(()->{
            while (true) {
                stampedThread.write();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(()->{
            while (true){
                stampedThread.read();
            }
        });

        t1.setPriority(9);
        t2.setPriority(1);

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

局限性

  1. StampedLock是不可重入锁。
  2. StampedLock的悲观读,悲观写锁都不支持条件变量(Condition)
为了避免线饥饿问题,可以采取多种技术和策略,确保系统中的线能够公平地获取资源并执行。以下是一些常见的方法: ### 1. 线优先级的合理设置 线优先级可以影响线调度器分配 CPU 时间的方式。然而,线优先级并不是绝对的,并且不同操作系统对优先级的支持可能有所不同。因此,避免过度依赖线优先级来解决饥饿问题。合理设置优先级,确保高优先级任务不会长时间占用资源,同时允许低优先级任务有机会执行。 ### 2. 使用公平锁机制 在 Java 中,可以通过使用 `ReentrantLock` 的公平模式来确保线按照请求锁的顺序获得锁,从而避免某些线因长期无法获取锁而产生饥饿问题。公平锁会牺牲一定的性能,但能提供更好的公平性。 ```java ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); // true 表示公平锁 ``` ### 3. 线池的合理配置 线池的配置对于避免线饥饿至关重要。可以通过调整线池的大小,确保有足够的线来处理任务。例如,将线池的大小从默认的 2 增加到 3,可以避免某些线因等待资源而产生饥饿问题[^1]。 ```java ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(3); ``` 此外,选择合适的线池类型(如 `CachedThreadPool`、`FixedThreadPool` 或 `ScheduledThreadPool`)也非常重要,以适应不同的任务需求。 ### 4. 避免长时间阻塞操作 长时间阻塞操作可能导致线无法及时释放资源,从而引发其他线的饥饿问题。可以通过以下方式减少阻塞时间: - 使用非阻塞 I/O 操作。 - 限制等待时间,例如使用 `tryLock()` 方法而不是 `lock()` 方法。 - 将耗时操作拆分为多个小任务,以便其他线有机会执行。 ### 5. 使用线调度策略 某些操作系统和 JVM 提供了特定的线调度策略,例如时间片轮转(Round Robin)调度算法。这些策略可以确保每个线都有机会执行,避免某些线因调度器偏好而长期得不到执行。 ### 6. 避免死锁和资源竞争 死锁和资源竞争是导致线饥饿的常见原因。可以通过以下方式减少死锁和资源竞争的可能性: - 确保资源请求顺序一致,避免循环依赖。 - 使用超时机制,防止线无限期等待资源。 - 尽量减少共享资源的使用,改用线本地变量(如 `ThreadLocal`)。 ### 7. 使用工作窃取(Work Stealing)机制 在 Java 8 及更高版本中,`ForkJoinPool` 提供了工作窃取机制,允许空闲线从其他线的任务队列中“窃取”任务执行。这种机制可以有效减少线饥饿问题,提高系统的整体吞吐量。 ```java ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool(); ``` ### 8. 定期监控和调优 通过监控线的状态和性能指标(如 CPU 使用率、线等待时间等),可以及时发现并解决潜在的饥饿问题。可以使用工具如 JVisualVM 或 JProfiler 来分析线行为。 ---
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