S12L23 - 使用 trylock 预防死锁

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使用ReentrantLock和TryLock在Java中预防死锁
目录

介绍 ............................................................. 1
理解死锁 ...................................................... 3

什么是死锁？
死锁的常见原因
死锁对应用程序的影响


Java中的并发 .................................................... 7

线程与同步
锁在并发中的作用


ReentrantLock概述 ................................................ 12

ReentrantLock简介
相比于同步块的优势


使用TryLock预防死锁 ............................................ 18

TryLock机制
在Java中实现TryLock
处理锁获取失败


实际实现 ............................................................. 25

项目结构
逐步代码解释
输出分析


预防死锁的最佳实践 ............................................ 35

一致的锁顺序
限制锁的范围
避免嵌套锁


结论 ................................................................. 42
其他资源 ............................................................. 44

介绍
并发是现代软件开发的一个基本方面，使应用程序能够同时执行多个任务。虽然它提高了性能和响应速度，但也带来了同步问题和deadlock等挑战。deadlock 发生在两个或多个线程无限期地等待彼此持有的资源时，导致应用程序停止。
在本电子书中，我们深入探讨了Java中的死锁预防，重点介绍了使用ReentrantLock和tryLock。我们将探讨这些工具如何帮助开发人员有效管理资源同步，确保多线程操作的顺利和高效。
预防死锁的重要性
死锁会严重影响应用程序的可靠性和性能。预防它们对于维护系统稳定性至关重要，尤其是在需要高并发的应用程序中。通过理解和实施有效的死锁预防策略，开发人员可以创建健壮且高效的Java应用程序。
ReentrantLock和TryLock的优缺点
优点：

灵活性：提供了超越同步块的高级锁机制。
定时锁尝试： tryLock 允许线程尝试在超时的情况下获取锁。
可中断的锁获取： 线程在等待锁时可以被中断。

缺点：

复杂性：比同步块更复杂，需要仔细处理。
潜在的错误：不当使用可能导致微妙的错误和问题。

何时何地使用ReentrantLock和TryLock
在需要以下场景中使用ReentrantLock和tryLock：

有时间限制的锁尝试。
公平锁策略。
具有处理中断能力的锁获取。

这些工具在高并发和复杂同步需求的应用程序中特别有用。
比较表：同步块 vs. ReentrantLock



特性
同步块
ReentrantLock




灵活性
有限
高度灵活


锁获取控制
隐式
通过lock和unlock方法显式控制


超时机制
不可用
通过tryLock可用


可中断性
不支持
通过lockInterruptibly支持


公平性策略
不可配置
可配置以确保公平访问



大小和性能比较



方面
同步块
ReentrantLock




开销
较低的开销
由于灵活性稍高的开销


高竞争环境下的性能
可能降级
保持更好的性能


可扩展性
受内在锁限制
通过高级功能实现更好的可扩展性




理解死锁
什么是死锁？
deadlock 是并发编程中的一种情况，其中两个或多个线程永远阻塞，每个线程都在等待另一个线程释放资源。这种相互等待导致程序执行停滞。
死锁的常见原因

互斥：资源不可共享，且一次只能被一个线程持有。
占有且等待：线程在等待获取额外资源的同时，占有部分资源。
不可抢占：资源无法从持有它的线程中被强制获取。
循环等待：存在一个闭合的线程链，每个线程持有一个资源并等待另一个。

死锁对应用程序的影响

性能降低：线程保持空闲，降低了应用程序的吞吐量。
资源浪费：被锁定的资源无法使用，导致资源利用效率低下。
系统无响应：整个应用程序可能变得无响应，影响用户体验。


Java中的并发
线程与同步
Java为多线程提供了强大的支持，允许多个线程并发执行。然而，并发带来了同步的需求，以管理对共享资源的访问，防止不一致并确保数据完整性。
锁在并发中的作用
锁在管理同步中至关重要。它们控制多个线程对共享资源的访问，确保同一时间只有一个线程可以访问资源，从而防止冲突并保持一致性。

ReentrantLock概述
ReentrantLock简介
ReentrantLock 是Java java.util.concurrent.locks 包提供的一个类。它提供了比同步块更高级的锁机制，提供了更大的灵活性和对线程同步的控制。
相比于同步块的优势

高级功能：支持定时锁尝试和可中断的锁获取。
公平性策略：能够按请求顺序授予锁。
条件变量：通过多个等待集方便线程通信。


使用TryLock预防死锁
TryLock机制
tryLock 方法允许线程尝试获取锁而不会无限期等待。它可以立即返回一个表示成功与否的布尔值，或者在指定时间后失败，从而防止线程陷入等待锁的状态。
在Java中实现TryLock




		
		
			
			
Java
			
			import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class DeadlockPrevention {
    private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
    private static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new Task(lock1, lock2), "Thread-1");
        Thread t2 = new Thread(new Task(lock2, lock1), "Thread-2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

class Task implements Runnable {
    private ReentrantLock firstLock;
    private ReentrantLock secondLock;

    public Task(ReentrantLock firstLock, ReentrantLock secondLock) {
        this.firstLock = firstLock;
        this.secondLock = secondLock;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            boolean gotFirstLock = false;
            boolean gotSecondLock = false;
            try {
                // Attempt to acquire the first lock
                gotFirstLock = firstLock.tryLock(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
                if (gotFirstLock) {
                    // Attempt to acquire the second lock
                    gotSecondLock = secondLock.tryLock(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
                    if (gotSecondLock) {
                        // Critical section
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired both locks.");
                        break;
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                // Release locks if held
                if (gotSecondLock) {
                    secondLock.unlock();
                }
                if (gotFirstLock) {
                    firstLock.unlock();
                }
            }
        }
    }
}
			
				
					
				
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55
				
						import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
 
public class DeadlockPrevention {
    private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
    private static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
 
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new Task(lock1, lock2), "Thread-1");
        Thread t2 = new Thread(new Task(lock2, lock1), "Thread-2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
 
class Task implements Runnable {
    private ReentrantLock firstLock;
    private ReentrantLock secondLock;
 
    public Task(ReentrantLock firstLock, ReentrantLock secondLock) {
        this.firstLock = firstLock;
        this.secondLock = secondLock;
    }
 
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            boolean gotFirstLock = false;
            boolean gotSecondLock = false;
            try {
                // Attempt to acquire the first lock
                gotFirstLock = firstLock.tryLock(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
                if (gotFirstLock) {
                    // Attempt to acquire the second lock
                    gotSecondLock = secondLock.tryLock(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
                    if (gotSecondLock) {
                        // Critical section
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired both locks.");
                        break;
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                // Release locks if held
                if (gotSecondLock) {
                    secondLock.unlock();
                }
                if (gotFirstLock) {
                    firstLock.unlock();
                }
            }
        }
    }
}
					
				
			
		


处理锁获取失败
当tryLock未能在指定时间内获取锁时，线程可以决定重试、记录失败或采取其他行动。这种机制防止线程无限期等待，从而避免了死锁。

实际实现
项目结构




		
		
			
			
Java
			
			S12L23 - Deadlock prevention with trylock/
│
├── pom.xml
├── src/
│   └── main/
│       └── java/
│           └── org/
│               └── studyeasy/
│                   └── Main.java
└── target/
    └── classes/
        └── org/
            └── studyeasy/
                ├── Main.class
			
				
					
				
					1
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						S12L23 - Deadlock prevention with trylock/
│
├── pom.xml
├── src/
│   └── main/
│       └── java/
│           └── org/
│               └── studyeasy/
│                   └── Main.java
└── target/
    └── classes/
        └── org/
            └── studyeasy/
                ├── Main.class
					
				
			
		


逐步代码解释
让我们解析Main.java文件的主要组件。
导入所需的类




		
		
			
			
Java
			
			import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
			
				
					
				
					1
2
				
						import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
					
				
			
		



ReentrantLock：提供高级锁机制。
TimeUnit：以可读的格式指定时间持续时间。

定义锁




		
		
			
			
Java
			
			public class Main {
    private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
    private static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new Task(lock1, lock2), "Thread-1");
        Thread t2 = new Thread(new Task(lock2, lock1), "Thread-2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
			
				
					
				
					1
2
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11
				
						public class Main {
    private static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
    private static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
 
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new Task(lock1, lock2), "Thread-1");
        Thread t2 = new Thread(new Task(lock2, lock1), "Thread-2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
					
				
			
		



lock1 和 lock2：ReentrantLock的静态实例，用于同步。
线程 t1 和 t2：使用Task可运行对象创建，传递不同顺序的锁以模拟潜在的死锁场景。

实现Task可运行对象




		
		
			
			
Java
			
			class Task implements Runnable {
    private ReentrantLock firstLock;
    private ReentrantLock secondLock;

    public Task(ReentrantLock firstLock, ReentrantLock secondLock) {
        this.firstLock = firstLock;
        this.secondLock = secondLock;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            boolean gotFirstLock = false;
            boolean gotSecondLock = false;
            try {
                // Attempt to acquire the first lock
                gotFirstLock = firstLock.tryLock(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
                if (gotFirstLock) {
                    // Attempt to acquire the second lock
                    gotSecondLock = secondLock.tryLock(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
                    if (gotSecondLock) {
                        // Critical section
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired both locks.");
                        break;
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                // Release locks if held
                if (gotSecondLock) {
                    secondLock.unlock();
                }
                if (gotFirstLock) {
                    firstLock.unlock();
                }
            }
        }
    }
}
			
				
					
				
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40
				
						class Task implements Runnable {
    private ReentrantLock firstLock;
    private ReentrantLock secondLock;
 
    public Task(ReentrantLock firstLock, ReentrantLock secondLock) {
        this.firstLock = firstLock;
        this.secondLock = secondLock;
    }
 
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            boolean gotFirstLock = false;
            boolean gotSecondLock = false;
            try {
                // Attempt to acquire the first lock
                gotFirstLock = firstLock.tryLock(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
                if (gotFirstLock) {
                    // Attempt to acquire the second lock
                    gotSecondLock = secondLock.tryLock(10, TimeUnit.MILLISECONDS);
                    if (gotSecondLock) {
                        // Critical section
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired both locks.");
                        break;
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                // Release locks if held
                if (gotSecondLock) {
                    secondLock.unlock();
                }
                if (gotFirstLock) {
                    firstLock.unlock();
                }
            }
        }
    }
}
					
				
			
		



run方法：

尝试获取锁：尝试在10毫秒内获取firstLock和secondLock。
临界区：如果两个锁都被获取，打印确认信息并退出循环。
finally块：确保释放任何已获取的锁，防止潜在的死锁。



输出分析
示例输出：




		
		
			
			
Java
			
			Thread-1 acquired both locks.
Thread-2 acquired both locks.
			
				
					
				
					1
2
				
						Thread-1 acquired both locks.
Thread-2 acquired both locks.
					
				
			
		


解释：

两个线程成功获取了lock1和lock2，没有进入死锁。
使用带有超时的tryLock确保如果一个锁不可用，线程会释放任何持有的锁并重试，避免了无限期等待。


预防死锁的最佳实践
一致的锁顺序
确保所有线程以一致的顺序获取锁。如果每个线程先锁定lock1然后再锁定lock2，系统可以防止循环等待条件，消除死锁。
限制锁的范围
尽量缩短锁持有的时间。保持临界区尽可能短可以减少竞争和死锁的机会。
避免嵌套锁
避免同时获取多个锁。如果无法避免，确保锁以分层顺序获取，以防止循环依赖。

结论
死锁预防是Java并发编程中的一个关键方面。通过利用ReentrantLock及其tryLock方法，开发人员可以实现强健的同步机制，预防死锁，同时保持应用程序的性能和可靠性。本电子书深入探讨了死锁、并发管理和实际实现，旨在为您提供构建高效多线程Java应用程序的知识。
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其他资源

Brian Goetz的《Java并发实战》
ReentrantLock的官方Java文档
理解Java中的死锁
Java多线程与并发教程

注：本文由AI生成。
特性	同步块	ReentrantLock
灵活性	有限	高度灵活
锁获取控制	隐式	通过lock和unlock方法显式控制
超时机制	不可用	通过tryLock可用
可中断性	不支持	通过lockInterruptibly支持
公平性策略	不可配置	可配置以确保公平访问
方面	同步块	ReentrantLock
开销	较低的开销	由于灵活性稍高的开销
高竞争环境下的性能	可能降级	保持更好的性能
可扩展性	受内在锁限制	通过高级功能实现更好的可扩展性