前言
并发编程领域，死锁、活锁及饥饿问题频繁出现，成为影响程序稳定性和性能的关键因素。这些问题不仅增加了程序运行的复杂性和不确定性，还可能直接导致程序崩溃，给开发者带来了极大的挑战。本文将剖析这些并发编程难题的现象与根源，揭示其在编程实践中的具体表现，以帮助开发者更好地应对复杂并发环境，确保程序的稳定、高效运行。
一、死锁、活锁、饥饿介绍
死锁：死锁是并发编程中一个严重的问题，它发生在多个线程相互等待对方持有的资源，从而形成一个无法打破的循环等待链。这种互相等待的现象导致所有相关线程都无法继续执行，系统陷入停滞状态。解决死锁的策略通常包括预防、避免、检测和恢复。预防策略通过设计算法来确保不会发生循环等待，避免策略则在运行时动态地判断并阻止可能导致死锁的资源分配，检测策略在死锁发生后识别并解决它，而恢复策略则尝试从死锁状态中恢复，如通过回滚某些操作或释放部分资源。
活锁：与死锁不同，活锁中的线程并未被阻塞，而是由于某种原因（如资源竞争或冲突）导致它们不断重复尝试并失败，从而无法继续向前推进。活锁现象使得系统看似在正常运行，但实际上并未达到预期的效果。解决活锁问题的方法通常涉及引入随机性或后退策略，以打破线程间的冲突循环。通过随机化线程的执行顺序或让线程在失败时采取不同的策略，可以降低活锁发生的概率。
饥饿：饥饿是指一个或多个线程长时间无法获得所需的资源，导致它们无法完成其任务。饥饿问题可能由资源分配的不公平或不合理引起，使得某些线程始终无法获得足够的资源来执行其操作。解决饥饿问题需要确保资源的合理分配和调度策略，以确保所有线程都有公平的机会获得所需资源。这可能需要采用优先级策略、资源配额限制或动态调整资源分配等方法来避免某些线程长期得不到资源的情况。
二、死锁现象
在多线程编程的广阔领域中，死锁是一种尤为复杂且棘手的现象。它发生在两个或更多线程在执行过程中，因相互争夺资源而陷入的一种持久的互相等待状态。若无外部干预，这些线程将无法继续推进，导致程序运行停滞。为了深入理解死锁，首先需要明确其产生的四个必要条件：
- 互斥条件：此条件要求资源在同一时间内只能被一个线程独占。当某个线程持有某资源时，其他试图获取该资源的线程必须等待，直至该资源被释放。
- 请求与保持条件：当一个线程已经持有至少一个资源，并请求新的资源而未能立即获得时，它不会释放已持有的资源，而是保持等待状态。这可能导致资源无法有效流转，增加了死锁的风险。
- 不剥夺条件：线程对其持有的资源拥有完全的控制权，除非线程自己主动释放，否则其他线程无法剥夺其资源。这一特性使得资源一旦被分配，就可能长时间无法流通。
- 循环等待条件：若系统中存在一组线程，它们之间形成一种头尾相接的循环等待关系，即每个线程都在等待下一个线程持有的资源，而最后一个线程又在等待第一个线程持有的资源。这种闭环结构是死锁产生的直接原因。
为了更直观地展示死锁现象，以下是一个Java代码案例，模拟了两个线程因争夺两个资源（resource1和resource2）而陷入死锁的情况：
java
public class DeadlockDemo {
public static void main(String[] args) {
final Object resource1 = "Resource1";
final Object resource2 = "Resource2";
// 线程1
Thread t1 = new Thread(() -> {
synchronized (resource1) {
System.out.println("Thread 1: Locked resource 1");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
}
// 尝试锁定resource2，但可能因线程2已持有而阻塞
synchronized (resource2) {
System.out.println("Thread 1: Locked resource 2");
}
}
});
// 线程2
Thread t2 = new Thread(() -> {
synchronized (resource2) {
System.out.println("Thread 2: Locked resource 2");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
}
// 尝试锁定resource1，但可能因线程1已持有而阻塞
synchronized (resource1) {
System.out.println("Thread 2: Locked resource 1");
}
}
});
t1.start();
t2.start();
}
}该案例展示了死锁的产生条件和其对程序运行的影响。在此案例中，线程1首先锁定resource1，然后尝试锁定resource2；而线程2则首先锁定resource2，然后尝试锁定resource1。由于这两个线程相互等待对方释放资源，它们将陷入死锁状态，导致程序无法正常继续执行。
运行结果：
三、活锁现象
在并发编程中，活锁是一种特殊的状态，与死锁有所不同但同样值得关注。活锁指的是任务或执行者并未被阻塞，但由于某些条件未能满足，它们不断重复尝试执行操作，却一再失败，形成了一种看似活跃但实则无法有效推进的僵局。
活锁的特点：
- 不断尝试与失败：处于活锁状态的实体（如线程或进程）会不断尝试执行其操作，但由于某些外部条件（如资源冲突、竞争条件等）的干扰，这些尝试通常会失败。
- 状态持续变化：与死锁不同，活锁中的实体是在不断改变其状态的。它们不会陷入永久的等待状态，而是会反复尝试执行操作。
- 可能自行解开：在某些情况下，活锁可能会因为外部条件的改变（如资源释放、优先级调整等）而自行解开，从而使系统恢复正常运行。
活锁与死锁的区别：
- 等待与活跃：死锁中的实体表现为等待状态，它们无法继续执行操作，因为彼此都在等待对方释放资源。而活锁中的实体则表现为活跃状态，它们不断尝试执行操作，但由于条件不满足而失败。
- 解开可能性：死锁通常需要外部干预（如重启程序、手动释放资源等）才能解开。而活锁则有可能通过内部机制（如重试策略、资源竞争策略调整等）自行解开。
以下是一个展示活锁现象的Java代码案例：
java
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class LivelockDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建两个账户，每个账户初始余额为100
Account account1 = new Account(100, "账户1");
Account account2 = new Account(100, "账户2");
// 启动两个线程，分别尝试从账户1向账户2转账10元，和从账户2向账户1转账10元
new Thread(() -> account1.transfer(account2, 10)).start();
new Thread(() -> account2.transfer(account1, 10)).start();
}
/**
* 账户类，包含余额和账户名称
*/
static class Account {
private int balance;
private String name;
// 使用ReentrantLock来确保线程安全
private final Lock lock = new ReentrantLock();
public Account(int balance, String name) {
this.balance = balance;
this.name = name;
}
// 转账方法
public void transfer(Account other, int amount) {
boolean success = false;
// 循环尝试直到转账成功
while (!success) {
boolean thisLocked = false;
boolean otherLocked = false;
try {
// 尝试获取当前账户的锁，超时时间为1秒
if (lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
thisLocked = true;
// 获取目标账户的锁对象，并尝试获取锁，超时时间为1秒
Lock otherLock = ((Account) other).lock;
if (otherLock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
otherLocked = true;
// 检查当前账户余额是否足够
if (this.balance >= amount) {
this.balance -= amount;
other.balance += amount;
// 打印转账成功信息
System.out.println(name + "转账" + amount + "元到" + other.name);
success = true;
} else {
// 打印余额不足信息
System.out.println(name + "余额不足");
}
} else {
// 打印无法锁定目标账户信息
System.out.println(name + "无法锁定" + other.name + "，重试...");
}
} else {
// 打印无法锁定当前账户信息
System.out.println(name + "无法锁定自己，重试...");
}
} catch (InterruptedException e) {
// 如果当前线程在等待锁时被中断，恢复中断状态
Thread.currentThread().interrupt();
} finally {
// 确保在退出try块时释放已获取的锁
if (otherLocked) {
((Account) other).lock.unlock();
}
if (thisLocked) {
lock.unlock();
}
}
// 模拟转账操作的延迟，避免立即重试
try {
Thread.sleep(500); // 0.5秒
} catch (InterruptedException e) {
// 如果当前线程在睡眠时被中断，恢复中断状态
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
}
}
}该代码案例通过模拟两个账户间的转账操作演示了活锁现象。
代码中定义了一个Account类，表示一个账户，包含余额、名称和一个ReentrantLock对象以确保线程安全。main方法中创建了两个账户，并启动了两个线程，分别尝试从账户1向账户2转账10元，和从账户2向账户1转账10元。每个账户的transfer方法都尝试获取两个锁：当前账户的锁和目标账户的锁。由于线程几乎同时开始执行，它们可能分别持有各自账户的锁，并尝试获取对方账户的锁。然而，由于锁已被另一个线程持有，这两个线程都无法继续执行转账操作，从而陷入等待状态，形成活锁。
为了避免永久等待，transfer方法使用了一个循环来不断尝试获取锁。它首先尝试获取当前账户的锁（this.lock），如果成功，则尝试获取目标账户的锁（other.lock）。如果在尝试获取锁时发生超时（这里设置为1秒），则打印相应的错误信息，并在finally块中释放已获取的锁。如果成功获取了两个锁，并且当前账户余额足够，则执行转账操作。并且为了避免立即重试导致的资源竞争加剧，transfer方法在每次尝试后都会让当前线程睡眠一段时间（0.5秒）。
运行结果：
四、饥饿现象
饥饿是指一个或多个线程在并发环境中，由于多种原因无法获得所需的资源，导致它们长时间或无限期地被阻塞，无法继续执行的状态。饥饿现象在并发编程中是一个严重的问题，因为它可能导致程序性能下降、响应延迟，甚至死锁。
以下是Java中导致饥饿现象的三个主要原因：
- 高优先级线程吞噬CPU时间：在Java中，线程可以被赋予不同的优先级。高优先级的线程更容易获得CPU时间，从而可能长时间占用CPU资源，导致低优先级的线程无法获得执行机会。当高优先级线程持续运行并占用大量CPU时间时，低优先级线程可能会因为无法获得足够的CPU时间而处于饥饿状态。
- 线程被永久阻塞在等待进入同步块的状态：在Java中，同步块用于控制对共享资源的访问。当线程尝试进入同步块时，如果锁已被其他线程持有，则该线程将被阻塞，直到锁被释放。如果持有锁的线程长时间不释放锁，或者由于某种原因（如死循环）导致锁无法被释放，那么等待进入同步块的线程可能会处于永久阻塞状态，从而引发饥饿现象。
- 线程在等待一个本身也处于永久等待状态的对象 ：在Java中，线程可以等待某个对象的通知（如
wait()方法）来继续执行。如果线程等待的对象本身处于永久等待状态（例如，该对象在等待另一个线程的通知，而那个线程又因为某种原因无法执行），那么等待的线程也将无法继续执行，从而陷入饥饿状态。
以下是一个Java代码案例，演示了由于高优先级线程长时间占用锁资源而导致的饥饿现象。
java
public class StarvationDemo {
public static void main(String[] args) {
final Object lock = new Object();
// 高优先级线程
Thread highPriorityThread = new Thread(() -> {
synchronized (lock) {
// 高优先级线程持续占用锁资源，导致低优先级线程无法获得锁
while (true) {
// 模拟高优先级线程正在执行某些任务
}
}
});
// 设置线程优先级为最高
highPriorityThread.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
// 启动高优先级线程
highPriorityThread.start();
// 低优先级线程
Thread lowPriorityThread = new Thread(() -> {
synchronized (lock) {
// 如果高优先级线程持续占用锁资源，低优先级线程将永远无法执行到这里
System.out.println("低优先级线程正在运行");
}
});
// 设置线程优先级为最低
lowPriorityThread.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
// 启动低优先级线程
lowPriorityThread.start();
}
}在上述代码中，高优先级线程持续占用锁资源（lock对象），导致低优先级线程无法进入同步块并获得执行机会。该代码模拟了饥饿现象，演示了高优先级线程如何吞噬CPU时间并阻塞低优先级线程的执行，在实际应用中，应避免设计可能导致饥饿现象的并发程序，以确保程序的稳定性和性能。
运行结果：
总结
并发编程领域中的死锁、活锁及饥饿问题是影响程序稳定性和性能的关键因素。这些问题源于资源竞争、锁机制不当及优先级设置不合理等多种原因，通过深入理解其现象与根源，并采取预防、避免、检测和恢复等策略，以及优化资源分配、锁机制、优先级设置和引入随机性等方法，开发者可以有效应对这些挑战，确保程序在复杂并发环境中稳定、高效地运行。