当我们遇到死锁之后，除了可以手动重启程序解决之外，还可以考虑是使用顺序锁和轮询锁，这部分的内容可以参考我的上一篇文章，这里就不再赘述了。然而，轮询锁在使用的过程中，如果使用不当会带来新的严重问题，所以本篇我们就来了解一下这些问题，以及相应的解决方案。

问题演示

当我们没有使用轮询锁之前，可能会出现这样的问题：

  1. import java.util.concurrent.locks.Lock;
  2. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
  4. public class DeadLockByReentrantLock {
  5.     public static void main(String[] args) {
  6.         Lock lockA = new ReentrantLock(); // 创建锁 A
  7.         Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B
  9.         // 创建线程 1
  10.         Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
  11.             @Override
  12.             public void run() {
  13.                 lockA.lock(); // 加锁
  14.                 System.out.println("线程 1:获取到锁 A!");
  15.                 try {
  16.                     Thread.sleep(1000);
  17.                     System.out.println("线程 1:等待获取 B...");
  18.                     lockB.lock(); // 加锁
  19.                     try {
  20.                         System.out.println("线程 1:获取到锁 B!");
  21.                     } finally {
  22.                         lockA.unlock(); // 释放锁
  23.                     }
  24.                 } catch (InterruptedException e) {
  25.                     e.printStackTrace();
  26.                 } finally {
  27.                     lockA.unlock(); // 释放锁
  28.                 }
  29.             }
  30.         });
  31.         t1.start(); // 运行线程
  33.         // 创建线程 2
  34.         Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
  35.             @Override
  36.             public void run() {
  37.                 lockB.lock(); // 加锁
  38.                 System.out.println("线程 2:获取到锁 B!");
  39.                 try {
  40.                     Thread.sleep(1000);
  41.                     System.out.println("线程 2:等待获取 A...");
  42.                     lockA.lock(); // 加锁
  43.                     try {
  44.                         System.out.println("线程 2:获取到锁 A!");
  45.                     } finally {
  46.                         lockA.unlock(); // 释放锁
  47.                     }
  48.                 } catch (InterruptedException e) {
  49.                     e.printStackTrace();
  50.                 } finally {
  51.                     lockB.unlock(); // 释放锁
  52.                 }
  53.             }
  54.         });
  55.         t2.start(); // 运行线程
  56.     }
  57. }

以上代码的执行结果如下：
image.png
从上述结果可以看出，此时程序中出现了线程相互等待，并尝试获取对方（锁）资源的情况，这就是典型的死锁问题了。

简易版轮询锁

当出现死锁问题之后，我们就可以使用轮询锁来解决它了，它的实现思路是通过轮询的方式来获取多个锁，如果中途有任意一个锁获取失败，则执行回退操作，释放当前线程拥有的所有锁，等待下一次重新执行，这样就可以避免多个线程同时拥有并霸占锁资源了，从而直接解决了死锁的问题，简易版的轮询锁实现如下：

  1. import java.util.concurrent.locks.Lock;
  2. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
  4. public class SolveDeadLockExample {
  5.     public static void main(String[] args) {
  6.         Lock lockA = new ReentrantLock(); // 创建锁 A
  7.         Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B
  9.         // 创建线程 1(使用轮询锁)
  10.         Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
  11.             @Override
  12.             public void run() {
  13.                 // 调用轮询锁
  14.                 pollingLock(lockA, lockB);
  15.             }
  16.         });
  17.         t1.start(); // 运行线程
  19.         // 创建线程 2
  20.         Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
  21.             @Override
  22.             public void run() {
  23.                 lockB.lock(); // 加锁
  24.                 System.out.println("线程 2:获取到锁 B!");
  25.                 try {
  26.                     Thread.sleep(1000);
  27.                     System.out.println("线程 2:等待获取 A...");
  28.                     lockA.lock(); // 加锁
  29.                     try {
  30.                         System.out.println("线程 2:获取到锁 A!");
  31.                     } finally {
  32.                         lockA.unlock(); // 释放锁
  33.                     }
  34.                 } catch (InterruptedException e) {
  35.                     e.printStackTrace();
  36.                 } finally {
  37.                     lockB.unlock(); // 释放锁
  38.                 }
  39.             }
  40.         });
  41.         t2.start(); // 运行线程
  42.     }
  44.     /**
  45.      * 轮询锁
  46.      */
  47.     private static void pollingLock(Lock lockA, Lock lockB) {
  48.         // 轮询锁
  49.         while (true) {
  50.             if (lockA.tryLock()) { // 尝试获取锁
  51.                 System.out.println("线程 1:获取到锁 A!");
  52.                 try {
  53.                     Thread.sleep(1000);
  54.                     System.out.println("线程 1:等待获取 B...");
  55.                     if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁
  56.                         try {
  57.                             System.out.println("线程 1:获取到锁 B!");
  58.                         } finally {
  59.                             lockB.unlock(); // 释放锁
  60.                             System.out.println("线程 1:释放锁 B.");
  61.                             break;
  62.                         }
  63.                     }
  64.                 } catch (InterruptedException e) {
  65.                     e.printStackTrace();
  66.                 } finally {
  67.                     lockA.unlock(); // 释放锁
  68.                     System.out.println("线程 1:释放锁 A.");
  69.                 }
  70.             }
  71.             // 等待一秒再继续执行
  72.             try {
  73.                 Thread.sleep(1000);
  74.             } catch (InterruptedException e) {
  75.                 e.printStackTrace();
  76.             }
  77.         }
  78.     }
  79. }

以上代码的执行结果如下：
image.png
从上述结果可以看出，当我们在程序中使用轮询锁之后就不会出现死锁的问题了，但以上轮询锁也并不是完美无缺的，下面我们来看看这个轮询锁会有什么样的问题？

问题1：死循环

以上简易版的轮询锁，如果遇到有一个线程一直霸占或者长时间霸占锁资源的情况，就会导致这个轮询锁进入死循环的状态，它会尝试一直获取锁资源，这样就会造成新的问题，带来不必要的性能开销，具体示例如下。

反例

  1. import java.util.concurrent.locks.Lock;
  2. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
  4. public class SolveDeadLockExample {
  6.     public static void main(String[] args) {
  7.         Lock lockA = new ReentrantLock(); // 创建锁 A
  8.         Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B
  10.         // 创建线程 1(使用轮询锁)
  11.         Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
  12.             @Override
  13.             public void run() {
  14.                 // 调用轮询锁
  15.                 pollingLock(lockA, lockB);
  16.             }
  17.         });
  18.         t1.start(); // 运行线程
  20.         // 创建线程 2
  21.         Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
  22.             @Override
  23.             public void run() {
  24.                 lockB.lock(); // 加锁
  25.                 System.out.println("线程 2:获取到锁 B!");
  26.                 try {
  27.                     Thread.sleep(1000);
  28.                     System.out.println("线程 2:等待获取 A...");
  29.                     lockA.lock(); // 加锁
  30.                     try {
  31.                         System.out.println("线程 2:获取到锁 A!");
  32.                     } finally {
  33.                         lockA.unlock(); // 释放锁
  34.                     }
  35.                 } catch (InterruptedException e) {
  36.                     e.printStackTrace();
  37.                 } finally {
  38.                     // 如果此处代码未执行，线程 2 一直未释放锁资源
  39.                     // lockB.unlock(); 
  40.                 }
  41.             }
  42.         });
  43.         t2.start(); // 运行线程
  44.     }
  46.     /**
  47.      * 轮询锁
  48.      */
  49.     public static void pollingLock(Lock lockA, Lock lockB) {
  50.         while (true) {
  51.             if (lockA.tryLock()) { // 尝试获取锁
  52.                 System.out.println("线程 1:获取到锁 A!");
  53.                 try {
  54.                     Thread.sleep(1000);
  55.                     System.out.println("线程 1:等待获取 B...");
  56.                     if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁
  57.                         try {
  58.                             System.out.println("线程 1:获取到锁 B!");
  59.                         } finally {
  60.                             lockB.unlock(); // 释放锁
  61.                             System.out.println("线程 1:释放锁 B.");
  62.                             break;
  63.                         }
  64.                     }
  65.                 } catch (InterruptedException e) {
  66.                     e.printStackTrace();
  67.                 } finally {
  68.                     lockA.unlock(); // 释放锁
  69.                     System.out.println("线程 1:释放锁 A.");
  70.                 }
  71.             }
  72.             // 等待一秒再继续执行
  73.             try {
  74.                 Thread.sleep(1000);
  75.             } catch (InterruptedException e) {
  76.                 e.printStackTrace();
  77.             }
  78.         }
  79.     }
  80. }

以上代码的执行结果如下：
image.png
从上述结果可以看出，线程 1 轮询锁进入了死循环的状态。

优化版

针对以上死循环的情况，我们可以改进的思路有以下两种：

  1. 添加最大次数限制：如果经过了 n 次尝试获取锁之后，还未获取到锁，则认为获取锁失败，执行失败策略之后终止轮询（失败策略可以是记录日志或其他操作）；
  2. 添加最大时长限制：如果经过了 n 秒尝试获取锁之后，还未获取到锁，则认为获取锁失败，执行失败策略之后终止轮询。

以上策略任选其一就可以解决死循环的问题，出于实现成本的考虑，我们可以采用轮询最大次数的方式来改进轮询锁，具体实现代码如下：

  1. import java.util.concurrent.locks.Lock;
  2. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
  4. public class SolveDeadLockExample {
  6.     public static void main(String[] args) {
  7.         Lock lockA = new ReentrantLock(); // 创建锁 A
  8.         Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B
  10.         // 创建线程 1(使用轮询锁)
  11.         Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
  12.             @Override
  13.             public void run() {
  14.                 // 调用轮询锁
  15.                 pollingLock(lockA, lockB, 3);
  16.             }
  17.         });
  18.         t1.start(); // 运行线程
  20.         // 创建线程 2
  21.         Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
  22.             @Override
  23.             public void run() {
  24.                 lockB.lock(); // 加锁
  25.                 System.out.println("线程 2:获取到锁 B!");
  26.                 try {
  27.                     Thread.sleep(1000);
  28.                     System.out.println("线程 2:等待获取 A...");
  29.                     lockA.lock(); // 加锁
  30.                     try {
  31.                         System.out.println("线程 2:获取到锁 A!");
  32.                     } finally {
  33.                         lockA.unlock(); // 释放锁
  34.                     }
  35.                 } catch (InterruptedException e) {
  36.                     e.printStackTrace();
  37.                 } finally {
  38.                     // 线程 2 忘记释放锁资源
  39.                     // lockB.unlock(); // 释放锁
  40.                 }
  41.             }
  42.         });
  43.         t2.start(); // 运行线程
  44.     }
  46.     /**
  47.      * 轮询锁
  48.      *
  49.      * maxCount：最大轮询次数
  50.      */
  51.     public static void pollingLock(Lock lockA, Lock lockB, int maxCount) {
  52.         // 轮询次数计数器
  53.         int count = 0;
  54.         while (true) {
  55.             if (lockA.tryLock()) { // 尝试获取锁
  56.                 System.out.println("线程 1:获取到锁 A!");
  57.                 try {
  58.                     Thread.sleep(1000);
  59.                     System.out.println("线程 1:等待获取 B...");
  60.                     if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁
  61.                         try {
  62.                             System.out.println("线程 1:获取到锁 B!");
  63.                         } finally {
  64.                             lockB.unlock(); // 释放锁
  65.                             System.out.println("线程 1:释放锁 B.");
  66.                             break;
  67.                         }
  68.                     }
  69.                 } catch (InterruptedException e) {
  70.                     e.printStackTrace();
  71.                 } finally {
  72.                     lockA.unlock(); // 释放锁
  73.                     System.out.println("线程 1:释放锁 A.");
  74.                 }
  75.             }
  77.             // 判断是否已经超过最大次数限制
  78.             if (count++ > maxCount) {
  79.                 // 终止循环
  80.                 System.out.println("轮询锁获取失败,记录日志或执行其他失败策略");
  81.                 return;
  82.             }
  84.             // 等待一秒再继续尝试获取锁
  85.             try {
  86.                 Thread.sleep(1000);
  87.             } catch (InterruptedException e) {
  88.                 e.printStackTrace();
  89.             }
  90.         }
  91.     }
  92. }

以上代码的执行结果如下：
image.png
从以上结果可以看出，当我们改进之后，轮询锁就不会出现死循环的问题了，它会尝试一定次数之后终止执行。

问题2：线程饿死

我们以上的轮询锁的轮询等待时间是固定时间，如下代码所示：

  1. // 等待 1s 再尝试获取（轮询）锁
  2. try {
  3.     Thread.sleep(1000);
  4. } catch (InterruptedException e) {
  5.     e.printStackTrace();
  6. }

这样在特殊情况下会造成线程饿死的问题，也就是轮询锁一直获取不到锁的问题，比如以下示例。

反例

  1. import java.util.concurrent.locks.Lock;
  2. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
  4. public class SolveDeadLockExample {
  6.     public static void main(String[] args) {
  7.         Lock lockA = new ReentrantLock(); // 创建锁 A
  8.         Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B
  10.         // 创建线程 1(使用轮询锁)
  11.         Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
  12.             @Override
  13.             public void run() {
  14.                 // 调用轮询锁
  15.                 pollingLock(lockA, lockB, 3);
  16.             }
  17.         });
  18.         t1.start(); // 运行线程
  20.         // 创建线程 2
  21.         Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
  22.             @Override
  23.             public void run() {
  24.                 while (true) {
  25.                     lockB.lock(); // 加锁
  26.                     System.out.println("线程 2:获取到锁 B!");
  27.                     try {
  28.                         System.out.println("线程 2:等待获取 A...");
  29.                         lockA.lock(); // 加锁
  30.                         try {
  31.                             System.out.println("线程 2:获取到锁 A!");
  32.                         } finally {
  33.                             lockA.unlock(); // 释放锁
  34.                         }
  35.                     } finally {
  36.                         lockB.unlock(); // 释放锁
  37.                     }
  38.                     // 等待一秒之后继续执行
  39.                     try {
  40.                         Thread.sleep(1000);
  41.                     } catch (InterruptedException e) {
  42.                         e.printStackTrace();
  43.                     }
  44.                 }
  45.             }
  46.         });
  47.         t2.start(); // 运行线程
  48.     }
  50.     /**
  51.      * 轮询锁
  52.      */
  53.     public static void pollingLock(Lock lockA, Lock lockB, int maxCount) {
  54.         // 循环次数计数器
  55.         int count = 0;
  56.         while (true) {
  57.             if (lockA.tryLock()) { // 尝试获取锁
  58.                 System.out.println("线程 1:获取到锁 A!");
  59.                 try {
  60.                     Thread.sleep(100); // 等待 0.1s(获取锁需要的时间)
  61.                     System.out.println("线程 1:等待获取 B...");
  62.                     if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁
  63.                         try {
  64.                             System.out.println("线程 1:获取到锁 B!");
  65.                         } finally {
  66.                             lockB.unlock(); // 释放锁
  67.                             System.out.println("线程 1:释放锁 B.");
  68.                             break;
  69.                         }
  70.                     }
  71.                 } catch (InterruptedException e) {
  72.                     e.printStackTrace();
  73.                 } finally {
  74.                     lockA.unlock(); // 释放锁
  75.                     System.out.println("线程 1:释放锁 A.");
  76.                 }
  77.             }
  79.             // 判断是否已经超过最大次数限制
  80.             if (count++ > maxCount) {
  81.                 // 终止循环
  82.                 System.out.println("轮询锁获取失败,记录日志或执行其他失败策略");
  83.                 return;
  84.             }
  86.             // 等待一秒再继续尝试获取锁
  87.             try {
  88.                 Thread.sleep(1000);
  89.             } catch (InterruptedException e) {
  90.                 e.printStackTrace();
  91.             }
  92.         }
  93.     }
  94. }

以上代码的执行结果如下：
image.png
从上述结果可以看出，线程 1（轮询锁）一直未成功获取到锁，造成这种结果的原因是：线程 1 每次轮询的等待时间为固定的 1s，而线程 2 也是相同的频率，每 1s 获取一次锁，这样就会导致线程 2 会一直先成功获取到锁，而线程 1 则会一直处于“饿死”的情况，执行流程如下图所示：
image.png

优化版

接下来，我们可以将轮询锁的固定等待时间，改进为固定时间 + 随机时间的方式，这样就可以避免因为获取锁的频率一致，而造成轮询锁“饿死”的问题了，具体实现代码如下：

  1. import java.util.Random;
  2. import java.util.concurrent.locks.Lock;
  3. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
  5. public class SolveDeadLockExample {
  6.     private static Random rdm = new Random();
  8.     public static void main(String[] args) {
  9.         Lock lockA = new ReentrantLock(); // 创建锁 A
  10.         Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B
  12.         // 创建线程 1(使用轮询锁)
  13.         Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
  14.             @Override
  15.             public void run() {
  16.                 // 调用轮询锁
  17.                 pollingLock(lockA, lockB, 3);
  18.             }
  19.         });
  20.         t1.start(); // 运行线程
  22.         // 创建线程 2
  23.         Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
  24.             @Override
  25.             public void run() {
  26.                 while (true) {
  27.                     lockB.lock(); // 加锁
  28.                     System.out.println("线程 2:获取到锁 B!");
  29.                     try {
  30.                         System.out.println("线程 2:等待获取 A...");
  31.                         lockA.lock(); // 加锁
  32.                         try {
  33.                             System.out.println("线程 2:获取到锁 A!");
  34.                         } finally {
  35.                             lockA.unlock(); // 释放锁
  36.                         }
  37.                     } finally {
  38.                         lockB.unlock(); // 释放锁
  39.                     }
  40.                     // 等待一秒之后继续执行
  41.                     try {
  42.                         Thread.sleep(1000);
  43.                     } catch (InterruptedException e) {
  44.                         e.printStackTrace();
  45.                     }
  46.                 }
  47.             }
  48.         });
  49.         t2.start(); // 运行线程
  50.     }
  52.     /**
  53.      * 轮询锁
  54.      */
  55.     public static void pollingLock(Lock lockA, Lock lockB, int maxCount) {
  56.         // 循环次数计数器
  57.         int count = 0;
  58.         while (true) {
  59.             if (lockA.tryLock()) { // 尝试获取锁
  60.                 System.out.println("线程 1:获取到锁 A!");
  61.                 try {
  62.                     Thread.sleep(100); // 等待 0.1s(获取锁需要的时间)
  63.                     System.out.println("线程 1:等待获取 B...");
  64.                     if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁
  65.                         try {
  66.                             System.out.println("线程 1:获取到锁 B!");
  67.                         } finally {
  68.                             lockB.unlock(); // 释放锁
  69.                             System.out.println("线程 1:释放锁 B.");
  70.                             break;
  71.                         }
  72.                     }
  73.                 } catch (InterruptedException e) {
  74.                     e.printStackTrace();
  75.                 } finally {
  76.                     lockA.unlock(); // 释放锁
  77.                     System.out.println("线程 1:释放锁 A.");
  78.                 }
  79.             }
  81.             // 判断是否已经超过最大次数限制
  82.             if (count++ > maxCount) {
  83.                 // 终止循环
  84.                 System.out.println("轮询锁获取失败,记录日志或执行其他失败策略");
  85.                 return;
  86.             }
  88.             // 等待一定时间(固定时间 + 随机时间)之后再继续尝试获取锁
  89.             try {
  90.                 Thread.sleep(300 + rdm.nextInt(8) * 100); // 固定时间 + 随机时间
  91.             } catch (InterruptedException e) {
  92.                 e.printStackTrace();
  93.             }
  94.         }
  95.     }
  96. }

以上代码的执行结果如下：
image.png
从上述结果可以看出，线程 1（轮询锁）加入随机等待时间之后就不会出现线程饿死的问题了。

总结

本文我们介绍了轮询锁的用途，用于解决死锁问题，但简易版的轮询锁在某些情况下会造成死循环和线程饿死的问题，因此我们对轮询锁进行了优化，给轮询锁加入了最大轮询次数，以及随机轮询等待时间，这样就可以解决因为引入轮询锁而造成的新问题了，这样就可以愉快的使用它来解决死锁的问题了。

参考 & 鸣谢

《Java并发编程实战》

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