深入理解Java多线程(2.7)- 死锁的原因和如何避免死锁

2020年9月9日15:14:42 评论 67

一、死锁发生的四个必要条件

经典的“哲学家进餐”问题很好的描述了死锁的情况。5个哲学家吃中餐,坐在一张圆桌上,有5根筷子,每个人吃饭必须用两根筷子。哲学家时而思考时而进餐。分配策略有可能导致哲学家永远无法进餐。

类似的,当线程A尝试持有锁L1,并尝试获取锁L2;同时,线程B持有锁L2,并尝试获取锁L1,并且都不释放已经拥有的锁。这就是最简单的死锁。其中存在环状的锁依赖关系。称为“抱死”。

数据库系统有监视、检测死锁的环节。当两个事务需要的锁相互依赖时,DB将选择一个牺牲者放弃这个事务,牺牲者会释放持有的资源,从而使其他事务顺利的执行。

JVM在解决死锁问题时并没有数据库系统那么强大,当一组线程发生死锁时,那么这写线程就凉凉——永远不会被使用。

死锁的发生必须具备以下四个必要条件:

  • 互斥,共享资源 X 和 Y 只能被一个线程占用;
  • 占有且等待,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 占有的资源,线程 T2 等待线程 T1 占有的资源,就是循环等待。

下面看看3种死锁的情况:锁顺序死锁,动态锁顺序死锁,协作对象之间发生死锁。

1.1 锁顺序死锁

首先我们来看一下最简单的死锁(锁顺序死锁)是怎么样发生的:

public class LeftRightDeadlock {
    private final Object left = new Object();
    private final Object right = new Object();

    public void leftRight() {
        // 得到left锁
        synchronized (left) {
            // 得到right锁
            synchronized (right) {
                doSomething();
            }
        }
    }

    public void rightLeft() {
        // 得到right锁
        synchronized (right) {
            // 得到left锁
            synchronized (left) {
                doSomethingElse();
            }
        }
    }
}

我们的线程是交错执行的,那么就很有可能出现以下的情况:

  • 线程A调用leftRight()方法,得到left锁
  • 同时线程B调用rightLeft()方法,得到right锁
  • 线程A和线程B都继续执行,此时线程A需要right锁才能继续往下执行。此时线程B需要left锁才能继续往下执行。
  • 但是:线程A的left锁并没有释放,线程B的right锁也没有释放
  • 所以他们都只能等待,而这种等待是无期限的-->永久等待-->死锁

1.2 动态锁顺序死锁

我们看一下下面的例子,你认为会发生死锁吗?

// 转账
    public static void transferMoney(Account fromAccount,
                                     Account toAccount,
                                     DollarAmount amount)
            throws InsufficientFundsException {

        // 锁定汇账账户
        synchronized (fromAccount) {
            // 锁定来账账户
            synchronized (toAccount) {

                // 判余额是否大于0
                if (fromAccount.getBalance().compareTo(amount) < 0) {
                    throw new InsufficientFundsException();
                } else {

                    // 汇账账户减钱
                    fromAccount.debit(amount);

                    // 来账账户增钱
                    toAccount.credit(amount);
                }
            }
        }
    }

上面的代码看起来是没有问题的:锁定两个账户来判断余额是否充足才进行转账!

但是,同样有可能会发生死锁

  • 如果两个线程同时调用transferMoney()
  • 线程A从X账户向Y账户转账
  • 线程B从账户Y向账户X转账
  • 那么就会发生死锁。
A:transferMoney(myAccount,yourAccount,10);

B:transferMoney(yourAccount,myAccount,20);

1.3 协作对象之间发生死锁

我们来看一下下面的例子:

public class CooperatingDeadlock {
    // Warning: deadlock-prone!
    class Taxi {
        @GuardedBy("this") private Point location, destination;
        private final Dispatcher dispatcher;

        public Taxi(Dispatcher dispatcher) {
            this.dispatcher = dispatcher;
        }

        public synchronized Point getLocation() {
            return location;
        }

        // setLocation 需要Taxi内置锁
        public synchronized void setLocation(Point location) {
            this.location = location;
            if (location.equals(destination))
                // 调用notifyAvailable()需要Dispatcher内置锁
                dispatcher.notifyAvailable(this);
        }

        public synchronized Point getDestination() {
            return destination;
        }

        public synchronized void setDestination(Point destination) {
            this.destination = destination;
        }
    }

    class Dispatcher {
        @GuardedBy("this") private final Set<Taxi> taxis;
        @GuardedBy("this") private final Set<Taxi> availableTaxis;

        public Dispatcher() {
            taxis = new HashSet<Taxi>();
            availableTaxis = new HashSet<Taxi>();
        }

        public synchronized void notifyAvailable(Taxi taxi) {
            availableTaxis.add(taxi);
        }

        // 调用getImage()需要Dispatcher内置锁
        public synchronized Image getImage() {
            Image image = new Image();
            for (Taxi t : taxis)
                // 调用getLocation()需要Taxi内置锁
                image.drawMarker(t.getLocation());
            return image;
        }
    }

    class Image {
        public void drawMarker(Point p) {
        }
    }
}

上面的getImage()setLocation(Point location)都需要获取两个锁的。因为它们本身是同步方法,然后在方法内部调用其他方法时又需要获取锁。并且在操作途中是没有释放锁的。

这就是隐式获取两个锁(对象之间协作)。

这种方式也很容易就造成死锁,需要警惕在已经持有锁的方法内调用外部同步方法。

二、避免死锁的方法

只有上面四个必要条件都发生时才会出现死锁,那么反过来,也就是说只要我们破坏其中一个,就可以成功预防死锁的发生

四个条件中我们不能破坏互斥,因为我们使用锁目的就是保证资源被互斥访问,于是我们就对其他三个条件进行破坏:

  • 占用且等待:一次性申请所有的资源,这样就不存在等待了。
  • 不可抢占,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。
  • 循环等待,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,这样线性化申请后就不存在循环了。

避免死锁可以概括成三种方法:

  • 固定加锁的顺序(针对锁顺序死锁)
  • 开放调用(针对对象之间协作造成的死锁)
  • 使用定时锁-->tryLock()
    • 如果等待获取锁时间超时,则抛出异常而不是一直等待

2.1 固定锁顺序避免死锁

上面transferMoney()发生死锁的原因是因为加锁顺序不一致而出现的~

  • 正如书上所说的:如果所有线程以固定的顺序来获得锁,那么程序中就不会出现锁顺序死锁问题!

那么上面的例子我们就可以改造成这样子:

public class InduceLockOrder {

    // 额外的锁、避免两个对象hash值相等的情况(即使很少)
    private static final Object tieLock = new Object();

    public void transferMoney(final Account fromAcct,
                              final Account toAcct,
                              final DollarAmount amount)
            throws InsufficientFundsException {
        class Helper {
            public void transfer() throws InsufficientFundsException {
                if (fromAcct.getBalance().compareTo(amount) < 0)
                    throw new InsufficientFundsException();
                else {
                    fromAcct.debit(amount);
                    toAcct.credit(amount);
                }
            }
        }
        // 得到锁的hash值
        int fromHash = System.identityHashCode(fromAcct);
        int toHash = System.identityHashCode(toAcct);

        // 根据hash值来上锁
        if (fromHash < toHash) {
            synchronized (fromAcct) {
                synchronized (toAcct) {
                    new Helper().transfer();
                }
            }

        } else if (fromHash > toHash) {// 根据hash值来上锁
            synchronized (toAcct) {
                synchronized (fromAcct) {
                    new Helper().transfer();
                }
            }
        } else {// 额外的锁、避免两个对象hash值相等的情况(即使很少)
            synchronized (tieLock) {
                synchronized (fromAcct) {
                    synchronized (toAcct) {
                        new Helper().transfer();
                    }
                }
            }
        }
    }
}

得到对应的hash值来固定加锁的顺序,这样我们就不会发生死锁的问题了!

2.2 开放调用避免死锁

在协作对象之间发生死锁的例子中,主要是因为在调用某个方法时就需要持有锁,并且在方法内部也调用了其他带锁的方法!

  • 如果在调用某个方法时不需要持有锁,那么这种调用被称为开放调用

我们可以这样来改造:

  • 同步代码块最好仅被用于保护那些涉及共享状态的操作
class CooperatingNoDeadlock {
    @ThreadSafe
    class Taxi {
        @GuardedBy("this") private Point location, destination;
        private final Dispatcher dispatcher;

        public Taxi(Dispatcher dispatcher) {
            this.dispatcher = dispatcher;
        }

        public synchronized Point getLocation() {
            return location;
        }

        public synchronized void setLocation(Point location) {
            boolean reachedDestination;

            // 加Taxi内置锁
            synchronized (this) {
                this.location = location;
                reachedDestination = location.equals(destination);
            }
            // 执行同步代码块后完毕,释放锁

            if (reachedDestination)
                // 加Dispatcher内置锁
                dispatcher.notifyAvailable(this);
        }

        public synchronized Point getDestination() {
            return destination;
        }

        public synchronized void setDestination(Point destination) {
            this.destination = destination;
        }
    }

    @ThreadSafe
    class Dispatcher {
        @GuardedBy("this") private final Set<Taxi> taxis;
        @GuardedBy("this") private final Set<Taxi> availableTaxis;

        public Dispatcher() {
            taxis = new HashSet<Taxi>();
            availableTaxis = new HashSet<Taxi>();
        }

        public synchronized void notifyAvailable(Taxi taxi) {
            availableTaxis.add(taxi);
        }

        public Image getImage() {
            Set<Taxi> copy;

            // Dispatcher内置锁
            synchronized (this) {
                copy = new HashSet<Taxi>(taxis);
            }
            // 执行同步代码块后完毕,释放锁

            Image image = new Image();
            for (Taxi t : copy)
                // 加Taix内置锁
                image.drawMarker(t.getLocation());
            return image;
        }
    }

    class Image {
        public void drawMarker(Point p) {
        }
    }

}

使用开放调用是非常好的一种方式,应该尽量使用它~

2.3 使用定时锁

使用显式Lock锁,在获取锁时使用tryLock()方法。当等待超过时限的时候,tryLock()不会一直等待,而是返回错误信息。

使用tryLock()能够有效避免死锁问题~~

2.4 死锁检测

虽然造成死锁的原因是因为我们设计得不够好,但是可能写代码的时候不知道哪里发生了死锁。

JDK提供了两种方式来给我们检测:

  • JconsoleJDK自带的图形化界面工具,使用JDK给我们的的工具JConsole
  • Jstack是JDK自带的命令行工具,主要用于线程Dump分析。

具体可参考:

三、总结

发生死锁的原因主要由于:

  • 线程之间交错执行
    • 解决:以固定的顺序加锁
  • 执行某方法时就需要持有锁,且不释放
    • 解决:缩减同步代码块范围,最好仅操作共享变量时才加锁
  • 永久等待
    • 解决:使用tryLock()定时锁,超过时限则返回错误信息

2. Java多线程之线程同步

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