Dobry przykład livelock?

Rozumiem, co to jest livelock, ale zastanawiałem się, czy ktoś ma dobry przykład oparty na kodzie? I kodem oparte, ja nie znaczy „dwie osoby próbują ominąć siebie w korytarzu”. Jeśli jeszcze raz to przeczytam, stracę lunch.

Oto bardzo prosty przykład livelocka w Javie, w którym mąż i żona próbują zjeść zupę, ale mają między sobą tylko jedną łyżkę. Każdy z małżonków jest zbyt uprzejmy i podaje łyżkę, jeśli drugi jeszcze nie jadł.

public class Livelock {
    static class Spoon {
        private Diner owner;
        public Spoon(Diner d) { owner = d; }
        public Diner getOwner() { return owner; }
        public synchronized void setOwner(Diner d) { owner = d; }
        public synchronized void use() { 
            System.out.printf("%s has eaten!", owner.name); 
        }
    }

    static class Diner {
        private String name;
        private boolean isHungry;

        public Diner(String n) { name = n; isHungry = true; }       
        public String getName() { return name; }
        public boolean isHungry() { return isHungry; }

        public void eatWith(Spoon spoon, Diner spouse) {
            while (isHungry) {
                // Don't have the spoon, so wait patiently for spouse.
                if (spoon.owner != this) {
                    try { Thread.sleep(1); } 
                    catch(InterruptedException e) { continue; }
                    continue;
                }                       

                // If spouse is hungry, insist upon passing the spoon.
                if (spouse.isHungry()) {                    
                    System.out.printf(
                        "%s: You eat first my darling %s!%n", 
                        name, spouse.getName());
                    spoon.setOwner(spouse);
                    continue;
                }

                // Spouse wasn't hungry, so finally eat
                spoon.use();
                isHungry = false;               
                System.out.printf(
                    "%s: I am stuffed, my darling %s!%n", 
                    name, spouse.getName());                
                spoon.setOwner(spouse);
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        final Diner husband = new Diner("Bob");
        final Diner wife = new Diner("Alice");

        final Spoon s = new Spoon(husband);

        new Thread(new Runnable() { 
            public void run() { husband.eatWith(s, wife); }   
        }).start();

        new Thread(new Runnable() { 
            public void run() { wife.eatWith(s, husband); } 
        }).start();
    }
}

Odkładając na bok niepoważne komentarze, jednym z przykładów, o którym wiadomo, że pojawia się, jest kod, który próbuje wykryć i poradzić sobie z sytuacjami zakleszczenia. Jeśli dwa wątki wykryją zakleszczenie i spróbują „odsunąć się” dla siebie nawzajem, bez ostrzeżenia skończą z utknięciem w pętli, zawsze „odsuwając się na bok” i nigdy nie udając się ruszyć do przodu.

Przez „odsunięcie się” mam na myśli, że zwolniliby blokadę i spróbowaliby pozwolić drugiemu go zdobyć. Możemy sobie wyobrazić sytuację z dwoma wątkami robiącymi to (pseudokod):

// thread 1
getLocks12(lock1, lock2)
{
  lock1.lock();
  while (lock2.locked())
  {
    // attempt to step aside for the other thread
    lock1.unlock();
    wait();
    lock1.lock();
  }
  lock2.lock();
}

// thread 2
getLocks21(lock1, lock2)
{
  lock2.lock();
  while (lock1.locked())
  {
    // attempt to step aside for the other thread
    lock2.unlock();
    wait();
    lock2.lock();
  }
  lock1.lock();
}

Pomijając warunki wyścigu, mamy tutaj sytuację, w której oba wątki, jeśli wejdą w tym samym czasie, zakończą bieg w wewnętrznej pętli bez kontynuowania. Oczywiście jest to uproszczony przykład. Naiwnym rozwiązaniem byłoby wprowadzenie pewnego rodzaju przypadkowości w czasie oczekiwania wątków.

Właściwym rozwiązaniem jest zawsze przestrzeganie hierarchii blokad . Wybierz kolejność, w której zdobędziesz zamki i trzymaj się tego. Na przykład, jeśli oba wątki zawsze uzyskują lock1 przed lock2, nie ma możliwości zakleszczenia.

Ponieważ nie ma odpowiedzi oznaczonej jako zaakceptowana, próbowałem utworzyć przykład blokady na żywo;

Oryginalny program został napisany przeze mnie w kwietniu 2012 roku, aby nauczyć się różnych koncepcji wielowątkowości. Tym razem zmodyfikowałem go, aby utworzyć zakleszczenie, stan wyścigu, blokadę żywą itp.

Więc najpierw zrozummy stwierdzenie problemu;

Problem z twórcą plików cookie

Jest kilka pojemników na składniki: ChocoPowederContainer , WheatPowderContainer . CookieMaker wymaga pewnej ilości proszku z pojemników składników upiec Cookie . Jeśli producent ciasteczek stwierdzi, że pojemnik jest pusty, szuka innego pojemnika, aby zaoszczędzić czas. I czeka, aż Filler wypełni wymagany pojemnik. Jest wypełniacz który regularnie sprawdza pojemnik i uzupełnia pewną ilość, jeśli pojemnik tego potrzebuje.

Sprawdź cały kod na github ;

Pozwólcie, że krótko wyjaśnię wdrożenie.

• Uruchamiam Fillera jako wątek demona. Więc będzie regularnie napełniać pojemniki. Aby napełnić pojemnik najpierw blokuje pojemnik -> sprawdź, czy potrzebuje trochę proszku -> napełnia go -> sygnalizuje wszystkim czekającym na niego producentom -> odblokowuje pojemnik.
• Tworzę CookieMaker i ustawiam, że może upiec do 8 ciasteczek równolegle. I zaczynam 8 wątków do pieczenia ciasteczek.
• Każdy wątek producenta tworzy 2 wywoływalne pod-wątki do pobierania proszku z pojemników.
• pod-wątek blokuje pojemnik i sprawdza, czy ma wystarczającą ilość proszku. Jeśli nie, poczekaj chwilę. Gdy Filler wypełni pojemnik, pobiera proszek i odblokowuje pojemnik.
• Teraz kończy inne czynności, takie jak: robienie miksów, pieczenie itp.

Spójrzmy na kod:

CookieMaker.java

private Integer getMaterial(final Ingredient ingredient) throws Exception{
        :
        container.lock();
        while (!container.getIngredient(quantity)) {
            container.empty.await(1000, TimeUnit.MILLISECONDS);
            //Thread.sleep(500); //For deadlock
        }
        container.unlock();
        :
}

IngredientContainer.java

public boolean getIngredient(int n) throws Exception {
    :
    lock();
    if (quantityHeld >= n) {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        quantityHeld -= n;
        unlock();
        return true;
    }
    unlock();
    return false;
}

Wszystko działa dobrze do Fillera nie napełni pojemników. Ale jeśli zapomnę uruchomić wypełniacz lub wypełniacz nieoczekiwanie opuścił, wątki podrzędne zmieniają swoje stany, aby umożliwić innemu producentowi przejście i sprawdzenie pojemnika.

Stworzyłem również demona ThreadTracer, który śledzi stany wątków i zakleszczenia. To jest wyjście z konsoli;

2016-09-12 21:31:45.065 :: [Maker_0:WAITING, Maker_1:WAITING, Maker_2:WAITING, Maker_3:WAITING, Maker_4:WAITING, Maker_5:WAITING, Maker_6:WAITING, Maker_7:WAITING, pool-7-thread-1:TIMED_WAITING, pool-7-thread-2:TIMED_WAITING, pool-8-thread-1:TIMED_WAITING, pool-8-thread-2:TIMED_WAITING, pool-6-thread-1:TIMED_WAITING, pool-6-thread-2:TIMED_WAITING, pool-5-thread-1:TIMED_WAITING, pool-5-thread-2:TIMED_WAITING, pool-1-thread-1:TIMED_WAITING, pool-3-thread-1:TIMED_WAITING, pool-2-thread-1:TIMED_WAITING, pool-1-thread-2:TIMED_WAITING, pool-4-thread-1:TIMED_WAITING, pool-4-thread-2:RUNNABLE, pool-3-thread-2:TIMED_WAITING, pool-2-thread-2:TIMED_WAITING]
2016-09-12 21:31:45.065 :: [Maker_0:WAITING, Maker_1:WAITING, Maker_2:WAITING, Maker_3:WAITING, Maker_4:WAITING, Maker_5:WAITING, Maker_6:WAITING, Maker_7:WAITING, pool-7-thread-1:TIMED_WAITING, pool-7-thread-2:TIMED_WAITING, pool-8-thread-1:TIMED_WAITING, pool-8-thread-2:TIMED_WAITING, pool-6-thread-1:TIMED_WAITING, pool-6-thread-2:TIMED_WAITING, pool-5-thread-1:TIMED_WAITING, pool-5-thread-2:TIMED_WAITING, pool-1-thread-1:TIMED_WAITING, pool-3-thread-1:TIMED_WAITING, pool-2-thread-1:TIMED_WAITING, pool-1-thread-2:TIMED_WAITING, pool-4-thread-1:TIMED_WAITING, pool-4-thread-2:TIMED_WAITING, pool-3-thread-2:TIMED_WAITING, pool-2-thread-2:TIMED_WAITING]
WheatPowder Container has 0 only.
2016-09-12 21:31:45.082 :: [Maker_0:WAITING, Maker_1:WAITING, Maker_2:WAITING, Maker_3:WAITING, Maker_4:WAITING, Maker_5:WAITING, Maker_6:WAITING, Maker_7:WAITING, pool-7-thread-1:TIMED_WAITING, pool-7-thread-2:TIMED_WAITING, pool-8-thread-1:TIMED_WAITING, pool-8-thread-2:TIMED_WAITING, pool-6-thread-1:TIMED_WAITING, pool-6-thread-2:TIMED_WAITING, pool-5-thread-1:TIMED_WAITING, pool-5-thread-2:TIMED_WAITING, pool-1-thread-1:TIMED_WAITING, pool-3-thread-1:TIMED_WAITING, pool-2-thread-1:TIMED_WAITING, pool-1-thread-2:TIMED_WAITING, pool-4-thread-1:TIMED_WAITING, pool-4-thread-2:TIMED_WAITING, pool-3-thread-2:TIMED_WAITING, pool-2-thread-2:RUNNABLE]
2016-09-12 21:31:45.082 :: [Maker_0:WAITING, Maker_1:WAITING, Maker_2:WAITING, Maker_3:WAITING, Maker_4:WAITING, Maker_5:WAITING, Maker_6:WAITING, Maker_7:WAITING, pool-7-thread-1:TIMED_WAITING, pool-7-thread-2:TIMED_WAITING, pool-8-thread-1:TIMED_WAITING, pool-8-thread-2:TIMED_WAITING, pool-6-thread-1:TIMED_WAITING, pool-6-thread-2:TIMED_WAITING, pool-5-thread-1:TIMED_WAITING, pool-5-thread-2:TIMED_WAITING, pool-1-thread-1:TIMED_WAITING, pool-3-thread-1:TIMED_WAITING, pool-2-thread-1:TIMED_WAITING, pool-1-thread-2:TIMED_WAITING, pool-4-thread-1:TIMED_WAITING, pool-4-thread-2:TIMED_WAITING, pool-3-thread-2:TIMED_WAITING, pool-2-thread-2:TIMED_WAITING]

Zauważysz, że pod-wątki i zmieniają się ich stany i czekają.

Rzeczywisty (aczkolwiek bez dokładnego kodu) przykład to dwa konkurujące ze sobą procesy blokujące na żywo w celu skorygowania zakleszczenia serwera SQL, przy czym każdy proces używa tego samego algorytmu oczekiwania na ponowienie podczas ponawiania. Chociaż jest to szczęście związane z synchronizacją, widziałem, że dzieje się to na oddzielnych maszynach o podobnej charakterystyce wydajności w odpowiedzi na wiadomość dodaną do tematu EMS (np. Zapisywanie aktualizacji pojedynczego wykresu obiektu więcej niż raz) i brak możliwości sterowania kolejność zamka.

Dobrym rozwiązaniem w tym przypadku byłoby posiadanie konkurujących konsumentów (zapobieganie zduplikowanemu przetwarzaniu jak najwyżej w łańcuchu poprzez podzielenie pracy na niepowiązane ze sobą obiekty).

Mniej pożądanym rozwiązaniem (ok, brudny hack) jest przełamanie pecha czasowego (rodzaj różnic sił w przetwarzaniu) z wyprzedzeniem lub przełamanie go po impasie za pomocą różnych algorytmów lub elementu losowości. Może to nadal powodować problemy, ponieważ jest możliwe, że kolejność przyjmowania blokad jest „lepka” dla każdego procesu, a to zajmuje pewien minimalny czas, który nie jest uwzględniany w ponownej próbie oczekiwania.

Jeszcze innym rozwiązaniem (przynajmniej dla SQL Server) jest wypróbowanie innego poziomu izolacji (np. Migawki).

Zakodowałem przykład 2 osób przechodzących na korytarzu. Dwie nici będą się unikać, gdy tylko zorientują się, że ich kierunki są takie same.

public class LiveLock {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object left = new Object();
        Object right = new Object();
        Pedestrian one = new Pedestrian(left, right, 0); //one's left is one's left
        Pedestrian two = new Pedestrian(right, left, 1); //one's left is two's right, so have to swap order
        one.setOther(two);
        two.setOther(one);
        one.start();
        two.start();
    }
}

class Pedestrian extends Thread {
    private Object l;
    private Object r;
    private Pedestrian other;
    private Object current;

    Pedestrian (Object left, Object right, int firstDirection) {
        l = left;
        r = right;
        if (firstDirection==0) {
            current = l;
        }
        else {
            current = r;
        }
    }

    void setOther(Pedestrian otherP) {
        other = otherP;
    }

    Object getDirection() {
        return current;
    }

    Object getOppositeDirection() {
        if (current.equals(l)) {
            return r;
        }
        else {
            return l;
        }
    }

    void switchDirection() throws InterruptedException {
        Thread.sleep(100);
        current = getOppositeDirection();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is stepping aside.");
    }

    public void run() {
        while (getDirection().equals(other.getDirection())) {
            try {
                switchDirection();
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {}
        }
    }
} 

Wersja C # kodu jelbourn:

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace LiveLockExample
{
    static class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            var husband = new Diner("Bob");
            var wife = new Diner("Alice");

            var s = new Spoon(husband);

            Task.WaitAll(
                Task.Run(() => husband.EatWith(s, wife)),
                Task.Run(() => wife.EatWith(s, husband))
                );
        }

        public class Spoon
        {
            public Spoon(Diner diner)
            {
                Owner = diner;
            }


            public Diner Owner { get; private set; }

            [MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)]
            public void SetOwner(Diner d) { Owner = d; }

            [MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)]
            public void Use()
            {
                Console.WriteLine("{0} has eaten!", Owner.Name);
            }
        }

        public class Diner
        {
            public Diner(string n)
            {
                Name = n;
                IsHungry = true;
            }

            public string Name { get; private set; }

            private bool IsHungry { get; set; }

            public void EatWith(Spoon spoon, Diner spouse)
            {
                while (IsHungry)
                {
                    // Don't have the spoon, so wait patiently for spouse.
                    if (spoon.Owner != this)
                    {
                        try
                        {
                            Thread.Sleep(1);
                        }
                        catch (ThreadInterruptedException e)
                        {
                        }

                        continue;
                    }

                    // If spouse is hungry, insist upon passing the spoon.
                    if (spouse.IsHungry)
                    {
                        Console.WriteLine("{0}: You eat first my darling {1}!", Name, spouse.Name);
                        spoon.SetOwner(spouse);
                        continue;
                    }

                    // Spouse wasn't hungry, so finally eat
                    spoon.Use();
                    IsHungry = false;
                    Console.WriteLine("{0}: I am stuffed, my darling {1}!", Name, spouse.Name);
                    spoon.SetOwner(spouse);
                }
            }
        }
    }
}

Jednym z przykładów może być użycie czasowego tryLock, aby uzyskać więcej niż jedną blokadę, a jeśli nie możesz uzyskać ich wszystkich, wycofaj się i spróbuj ponownie.

boolean tryLockAll(Collection<Lock> locks) {
  boolean grabbedAllLocks = false;
  for(int i=0; i<locks.size(); i++) {
    Lock lock = locks.get(i);
    if(!lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS)) {
      grabbedAllLocks = false;

      // undo the locks I already took in reverse order
      for(int j=i-1; j >= 0; j--) {
        lock.unlock();
      }
    }
  }
}

Mogę sobie wyobrazić, że taki kod byłby problematyczny, ponieważ wiele wątków koliduje i czeka na uzyskanie zestawu blokad. Ale nie jestem pewien, czy jest to dla mnie bardzo przekonujące jako prosty przykład.

Wersja kodu jelbourn w Pythonie:

import threading
import time
lock = threading.Lock()

class Spoon:
    def __init__(self, diner):
        self.owner = diner

    def setOwner(self, diner):
        with lock:
            self.owner = diner

    def use(self):
        with lock:
            "{0} has eaten".format(self.owner)

class Diner:
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        self.hungry = True

    def eatsWith(self, spoon, spouse):
        while(self.hungry):
            if self != spoon.owner:
                time.sleep(1) # blocks thread, not process
                continue

            if spouse.hungry:
                print "{0}: you eat first, {1}".format(self.name, spouse.name)
                spoon.setOwner(spouse)
                continue

            # Spouse was not hungry, eat
            spoon.use()
            print "{0}: I'm stuffed, {1}".format(self.name, spouse.name)
            spoon.setOwner(spouse)

def main():
    husband = Diner("Bob")
    wife = Diner("Alice")
    spoon = Spoon(husband)

    t0 = threading.Thread(target=husband.eatsWith, args=(spoon, wife))
    t1 = threading.Thread(target=wife.eatsWith, args=(spoon, husband))
    t0.start()
    t1.start()
    t0.join()
    t1.join()

if __name__ == "__main__":
    main()

Modyfikuję odpowiedź @jelbourn. Kiedy jeden z nich zauważy, że drugi jest głodny, powinien puścić łyżkę i poczekać, aż inny powiadomi, aby zdarzyło się bydło.

public class LiveLock {
    static class Spoon {
        Diner owner;

        public String getOwnerName() {
            return owner.getName();
        }

        public void setOwner(Diner diner) {
            this.owner = diner;
        }

        public Spoon(Diner diner) {
            this.owner = diner;
        }

        public void use() {
            System.out.println(owner.getName() + " use this spoon and finish eat.");
        }
    }

    static class Diner {
        public Diner(boolean isHungry, String name) {
            this.isHungry = isHungry;
            this.name = name;
        }

        private boolean isHungry;
        private String name;


        public String getName() {
            return name;
        }

        public void eatWith(Diner spouse, Spoon sharedSpoon) {
            try {
                synchronized (sharedSpoon) {
                    while (isHungry) {
                        while (!sharedSpoon.getOwnerName().equals(name)) {
                            sharedSpoon.wait();
                            //System.out.println("sharedSpoon belongs to" + sharedSpoon.getOwnerName())
                        }
                        if (spouse.isHungry) {
                            System.out.println(spouse.getName() + "is hungry,I should give it to him(her).");
                            sharedSpoon.setOwner(spouse);
                            sharedSpoon.notifyAll();
                        } else {
                            sharedSpoon.use();
                            sharedSpoon.setOwner(spouse);
                            isHungry = false;
                        }
                        Thread.sleep(500);
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println(name + " is interrupted.");
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        final Diner husband = new Diner(true, "husband");
        final Diner wife = new Diner(true, "wife");
        final Spoon sharedSpoon = new Spoon(wife);

        Thread h = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                husband.eatWith(wife, sharedSpoon);
            }
        };
        h.start();

        Thread w = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                wife.eatWith(husband, sharedSpoon);
            }
        };
        w.start();

        try {
            Thread.sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        h.interrupt();
        w.interrupt();

        try {
            h.join();
            w.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

package concurrently.deadlock;

import static java.lang.System.out;


/* This is an example of livelock */
public class Dinner {

    public static void main(String[] args) {
        Spoon spoon = new Spoon();
        Dish dish = new Dish();

        new Thread(new Husband(spoon, dish)).start();
        new Thread(new Wife(spoon, dish)).start();
    }
}


class Spoon {
    boolean isLocked;
}

class Dish {
    boolean isLocked;
}

class Husband implements Runnable {

    Spoon spoon;
    Dish dish;

    Husband(Spoon spoon, Dish dish) {
        this.spoon = spoon;
        this.dish = dish;
    }

    @Override
    public void run() {

        while (true) {
            synchronized (spoon) {
                spoon.isLocked = true;
                out.println("husband get spoon");
                try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) {}

                if (dish.isLocked == true) {
                    spoon.isLocked = false; // give away spoon
                    out.println("husband pass away spoon");
                    continue;
                }
                synchronized (dish) {
                    dish.isLocked = true;
                    out.println("Husband is eating!");

                }
                dish.isLocked = false;
            }
            spoon.isLocked = false;
        }
    }
}

class Wife implements Runnable {

    Spoon spoon;
    Dish dish;

    Wife(Spoon spoon, Dish dish) {
        this.spoon = spoon;
        this.dish = dish;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (dish) {
                dish.isLocked = true;
                out.println("wife get dish");
                try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) {}

                if (spoon.isLocked == true) {
                    dish.isLocked = false; // give away dish
                    out.println("wife pass away dish");
                    continue;
                }
                synchronized (spoon) {
                    spoon.isLocked = true;
                    out.println("Wife is eating!");

                }
                spoon.isLocked = false;
            }
            dish.isLocked = false;
        }
    }
}