java面试题-什么是活锁和饥饿？

在并发编程中，活锁和饥饿是两种常见的问题，它们都会影响程序的性能和稳定性。本教程将深入探讨活锁和饥饿的概念、产生原因以及解决方案，并通过详细的代码示例演示如何应对这些挑战。

活锁（Livelock）

活锁指的是任务没有被阻塞，但由于某些条件没有满足，导致任务一直处于重复的尝试-失败过程中。在活锁中，实体不断改变状态，且有可能自行解开。与死锁不同的是，活锁中的实体是在不断尝试获取和释放资源，但始终无法顺利执行。

活锁产生的原因

活锁通常由于多个线程互相影响、相互等待而导致。一个常见的情况是两个线程互相释放对方需要的资源，却无法顺利执行。下面是一个简单的示例：

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

public class TestLiveLock {
    private static Random r = new Random();
    private static Lock lock1 = new ReentrantLock();
    private static Lock lock2 = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            boolean taskComplete = false;
            while (!taskComplete) {
                lock1.lock();
                System.out.println("Thread 1 acquired lock1");
                try {
                    try {
                        Thread.sleep(r.nextInt(30));
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    if (lock2.tryLock()) {
                        System.out.println("Thread 1 acquired lock2");
                        try {
                            taskComplete = true;
                        } finally {
                            lock2.unlock();
                        }
                    } else {
                        System.out.println("Thread 1 failed to acquire lock2");
                    }
                } finally {
                    lock1.unlock();
                }

                try {
                    Thread.sleep(r.nextInt(10));
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            boolean taskComplete = false;
            while (!taskComplete) {
                lock2.lock();
                System.out.println("Thread 2 acquired lock2");
                try {
                    try {
                        Thread.sleep(r.nextInt(30));
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    if (lock1.tryLock()) {
                        System.out.println("Thread 2 acquired lock1");
                        try {
                            taskComplete = true;
                        } finally {
                            lock1.unlock();
                        }
                    } else {
                        System.out.println("Thread 2 failed to acquire lock1");
                    }
                } finally {
                    lock2.unlock();
                }

                try {
                    Thread.sleep(r.nextInt(10));
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }
}

在这个示例中，两个线程互相尝试获取对方占用的资源，导致活锁的产生。为了解决活锁，可以在下一次尝试获取资源之前随机休眠一小段时间，防止线程无休止地竞争资源。

解决活锁的方法

为了解决活锁，一种简单的方法是在尝试获取资源之前随机休眠一小段时间，从而打破无休止的竞争。在实际编码中，可以根据具体情况采取不同的策略。

饥饿（Starvation）

饥饿是指一个线程因为CPU时间全部被其他线程抢占而得不到CPU运行时间，导致线程无法执行。产生饥饿的原因通常是由于线程调度算法不公平或优先级设置不合理。

饥饿的产生原因

1. 优先级线程吞噬所有低优先级线程的CPU时间：如果高优先级的线程长时间占用CPU资源，低优先级线程可能无法获得执行机会，导致饥饿。

2. 其他线程总是能在它之前持续地对同步块进行访问：如果某个线程总是被其他线程抢先执行，那么该线程可能一直无法得到执行机会，产生饥饿。

3. 其他线程总是抢先被持续地获得唤醒：如果某个线程总是在等待唤醒时被其他线程抢先获得唤醒，那么该线程可能一直无法被唤醒，产生饥饿。

解决饥饿的方法

为了解决饥饿问题，我们可以采用以下方法：

1. 公平的线程调度算法：确保每个线程都有公平获得CPU时间的机会，避免某个线程长时间占用资源。

2. 合理设置线程优先级：根据任务的重要性和紧急性，合理设置线程的优先级，避免低优先级线程一直无法执行。

3. 避免长时间的等待：在程序设计中，尽量避免线程长时间等待的情况，以减少饥饿的可能性。

饥饿示例

下面是一个简单的示例，演示了饥饿问题的产生：

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;

public class TestThreadStarvation {
    private static ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor();



    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        Future<String> future1 = es.submit(() -> {
            System.out.println("Submitting task 1");
            Future<String> future2 = es.submit(() -> {
                System.out.println("Submitting task 2");
                return "Task 2 result";
            });
            return future2.get();
        });
        System.out.println("Result from task 1: " + future1.get());
    }
}

在这个示例中，线程池只能容纳一个任务，任务1提交任务2，但任务2永远得不到执行，导致线程池卡死。这是因为任务1一直在等待任务2执行完成，而任务2无法得到执行机会。

解决饥饿的示例

为了解决饥饿，我们可以使用一个合理的线程池，确保线程有足够的执行机会：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;

public class TestThreadStarvationSolution {
    private static ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(2);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Future<String> future1 = es.submit(() -> {
            System.out.println("Submitting task 1");
            Future<String> future2 = es.submit(() -> {
                System.out.println("Submitting task 2");
                return "Task 2 result";
            });
            return future2.get();
        });
        System.out.println("Result from task 1: " + future1);
        es.shutdown();
    }
}

在这个示例中，我们使用了一个包含两个线程的固定大小线程池，确保任务2有足够的执行机会，避免了饥饿的问题。

结论

本教程深入探讨了活锁和饥饿在并发编程中的概念、原因以及解决方案。通过详细的代码示例，我们演示了如何防止活锁的产生，以及如何解决饥饿问题。在实际编程中，理解并发编程中的这些挑战，并采取相应的措施，可以提高程序的稳定性和性能。