什么是死锁

程序员文章站 2022-06-24 18:28:02

一.简介根据上一篇文章互斥锁死锁实验，死锁定义：一组互相互相竞争资源的线程因互相等待，导致“永久”阻塞的现象。class Account { private int balance; // 转账 void transfer(Account target, int amt){ // 锁定转出账户 synchronized(this){ ① // 锁定转入账户 synchronized(target){ ② if (this.ba...

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一.简介

根据上一篇文章互斥锁

死锁实验，死锁定义：一组互相互相竞争资源的线程因互相等待，导致“永久”阻塞的现象。

class Account {
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    // 锁定转出账户
    synchronized(this){     ①
      // 锁定转入账户
      synchronized(target){ ②
        if (this.balance > amt) {
          this.balance -= amt;
          target.balance += amt;
        }
      }
    }
  } 
}

我们假设线程 T1 执行账户 A 转账户 B 的操作，账户 A.transfer(账户 B)；同时线程 T2 执行账户 B 转账户 A 的操作，账户 B.transfer(账户 A)。当 T1 和 T2 同时执行完①处的代码时，T1 获得了账户 A 的锁（对于 T1，this 是账户 A），而 T2 获得了账户 B 的锁（对于 T2，this 是账户 B）。之后 T1 和 T2 在执行②处的代码时，T1 试图获取账户 B 的锁时，发现账户 B 已经被锁定（被 T2 锁定），所以 T1 开始等待；T2 则试图获取账户 A 的锁时，发现账户 A 已经被锁定（被 T1 锁定），所以 T2 也开始等待。于是 T1 和 T2 会无期限地等待下去，也就是我们所说的死锁了。

二.预防死锁

Coffman 大佬，总结发生死锁条件

互斥，共享资源X和Y只能被一个线程占用；
占用且等待，线程T1已经取得共享资源X，在等待共享资源Y的时候，不释放共享资源X;
不可抢占，其他线程不能强行抢占线程T1占有的资源；
循环等待，线程T1等待线程T2占有资源，线程T2等待线程T1占有的资源，就是循环等待。

破坏其中一个，就可以避免死锁的发生。

解决

对应“占用且等待”这个条件，我们可以一次性申请所有的资源，这样就不存在等待了。
对于“不可抢占”这个条件，占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源，这样不可抢占这个条件就破坏掉了。
对于“循环等待”这个条件，可以靠按序申请资源来预防。所谓按序申请，是指资源是有线性顺序的，申请的时候可以先申请资源序号小的，再申请资源序号大的，这样线性化后自然就不存在循环了。

2.1 破坏占用且等待条件

从理论上讲，要破坏这个条件，可以一次性申请所有资源。在现实世界里，就拿前面我们提到的转账操作来讲，它需要的资源有两个，一个是转出账户，另一个是转入账户，当这两个账户同时被申请时。

@Data
public class AccountClassLock4 {
    private Allocator actr = Allocator.getInstance();
    private int balance;
    public AccountClassLock4(int balance) {
        this.balance = balance;
    }
    //转账
    public void transfer(AccountClassLock4 target,int amt){
        //申请转出和转入账号，直到成功
        while (!actr.apply(this,target)) {  }
        try {
            synchronized (this){
                synchronized (target){
                    if (this.balance > amt){
                        this.balance -= amt;
                        target.balance += amt;
                    }
                }
            }
        }finally {
            actr.free(this,target);
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            AccountClassLock4 a = new AccountClassLock4(200);
            AccountClassLock4 b = new AccountClassLock4(200);
            AccountClassLock4 c = new AccountClassLock4(200);
            Thread t1 = new Thread(()->{
                a.transfer(b,100);
            });
            Thread t2 = new Thread(()->{
                b.transfer(c,100);
            });
            t1.start();
            t2.start();
            t2.join();
            System.out.println(a.getBalance());
            System.out.println(b.getBalance());
            System.out.println(c.getBalance());
            System.out.println("----------------");
        }
    }
}
class Allocator{
    private static Allocator instance = new Allocator();
    public static Allocator getInstance() {
        return instance;
    }
    private Allocator(){}
    private List<Object> als = new ArrayList<>();
    synchronized boolean apply(Object a,Object b){
        if(als.contains(a) || als.contains(b)){
            return false;
        }else{
            als.add(a);
            als.add(b);
        }
        return true;
    }
    synchronized void free(Object a,Object b){
        als.remove(a);
        als.remove(b);
    }
}

优化

// 一次性申请转出账户和转入账户，直到成功
while(!actr.apply(this, target))
  ；

如果 apply() 操作耗时非常短，而且并发冲突量也不大时，这个方案还挺不错的，因为这种场景下，循环上几次或者几十次就能一次性获取转出账户和转入账户了。但是如果 apply() 操作耗时长，或者并发冲突量大的时候，循环等待这种方案就不适用了，因为在这种场景下，可能要循环上万次才能获取到锁，太消耗 CPU 了。
利用等待-通知模式优化，使用线程阻塞方式就避免循环等待消耗CPU的问题。

什么是死锁

@Data
public class AccountClassLock7 {
    private Allocator actr = Allocator.getInstance();
    private int balance;

    public AccountClassLock7(int balance) {
        this.balance = balance;
    }
    public void transfer(AccountClassLock7 target,int amt){
        actr.apply(this,target);
        try {
              if (this.balance > amt){
                   this.balance -= amt;
                   target.balance += amt;
              }
        }finally {
            actr.free(this,target);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            AccountClassLock7 a = new AccountClassLock7(200);
            AccountClassLock7 b = new AccountClassLock7(200);
            AccountClassLock7 c = new AccountClassLock7(200);
            Thread t1 = new Thread(()->{
                a.transfer(b,100);
            });
            Thread t2 = new Thread(()->{
                b.transfer(c,100);
            });
            t1.start();
            t2.start();
            t2.join();
            System.out.println(a.getBalance());
            System.out.println(b.getBalance());
            System.out.println(c.getBalance());
            System.out.println("----------------");
        }

    }

    static class Allocator{
        private static Allocator instance = new Allocator();
        public static Allocator getInstance() {
            return instance;
        }
        private Allocator(){}
        private List<Object> als = new ArrayList<>();
        synchronized void apply(Object a,Object b){
            while(als.contains(a) || als.contains(b)){
                try {
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            als.add(a);
            als.add(b);
        }
        synchronized void free(Object a,Object b){
            als.remove(a);
            als.remove(b);
            this.notifyAll();
        }

    }
}

注意

因为notify()只能保证通知时间点，条件满足，而被通知线程的执行时间点和通知的时间点基本上不会重合，所以当线程执行的时候，很可能条件已经不满足（保不齐有其他线程插队）。

2.2 破坏不可抢占条件

破坏不可抢占条件看上去很简单，核心是要能够主动释放它占有的资源，这一点 synchronized 是做不到的。原因是 synchronized 申请资源的时候，如果申请不到，线程直接进入阻塞状态了，而线程进入阻塞状态，啥都干不了，也释放不了线程已经占有的资源。

@Data
public class AccountClassLock6 {
    private int balance;
    private final Lock locks = new ReentrantLock();
    public AccountClassLock6(int balance) {
        this.balance = balance;
    }
    public void transfer(AccountClassLock6 target,int amt) throws InterruptedException {
        boolean flag = true;
        Random random = new Random();
        while (flag){
            if(this.locks.tryLock(random.nextInt(1000)+1 , TimeUnit.MILLISECONDS)){
                try {
                    if(target.locks.tryLock()){
                        try {
                            if(this.balance > amt){
                                this.balance -= amt;
                                target.balance += amt;
                                flag = false;
                            }
                        }finally {
                            target.locks.unlock();
                        }
                    }
                }finally {
                    this.locks.unlock();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            AccountClassLock6 a = new AccountClassLock6(200);
            AccountClassLock6 b = new AccountClassLock6(200);
            AccountClassLock6 c = new AccountClassLock6(200);
            Thread t1 = new Thread(()->{
                try {
                    a.transfer(b,100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });

            Thread t2 = new Thread(()->{
                try {
                    b.transfer(c,100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });

            t1.start();
            t2.start();
            t2.join();
            System.out.println(a.getBalance());
            System.out.println(b.getBalance());
           System.out.println(c.getBalance());
            System.out.println("----------------");
        }
    }
}

只在外层Lock加上阻塞时间就行，如果在内层加上，内层锁阻塞一段时间，外层锁没有释放，这段时间可能形成死锁，破坏活锁一个随机时间就够了。

2.3 破坏循环等待条件

破坏这个条件，需要对资源进行排序，然后按序申请资源。这个实现非常简单，我们假设每个账户都有不同的属性 id，这个 id 可以作为排序字段，申请的时候，我们可以按照从小到大的顺序来申请。

@Data
public class AccountClassLock5 {
    private int id;
    private int balance;
    public AccountClassLock5(int id, int balance) {
        this.id = id;
        this.balance = balance;
    }
    public void transfer(AccountClassLock5 target,int amt){
        AccountClassLock5 left = this;
        AccountClassLock5 right = target;
        if(left.id > right.id){
            left = target;
            right = this;
        }
        synchronized (left){
            synchronized (right){
                if (this.balance > amt) {
                    this.balance -= amt;
                    target.balance += amt;
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            AccountClassLock5 a = new AccountClassLock5(1, 200);
            AccountClassLock5 b = new AccountClassLock5(2, 200);
            AccountClassLock5 c = new AccountClassLock5(3, 200);
            Thread t1 = new Thread(()->{
               a.transfer(b,100);
            });

            Thread t2 = new Thread(()->{
                b.transfer(c,100);
            });

            t1.start();
            t2.start();
            t2.join();
            System.out.println(a.getBalance());
            System.out.println(b.getBalance());
            System.out.println(c.getBalance());
            System.out.println("----------------");
        }
        
    }
}

2.4 小结

并发大师 Doug Lea《Java 并发编程：设计原则与模式》一书中，推荐的三个用锁的最佳实践

永远只在更新对象的成员变量时加锁；
永远只在访问可变的成员时加锁；
永远不在调用其他对象的方法时加锁。

参考

《Java并发编程实战》

公众号

什么是死锁

微信公众号（bigdata_limeng）

本文地址：https://blog.csdn.net/qq_19968255/article/details/109641428

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什么是死锁

文章目录

一.简介

二.预防死锁

2.1 破坏占用且等待条件

2.2 破坏不可抢占条件

2.3 破坏循环等待条件

2.4 小结

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