Java多線程死鎖的產(chǎn)生以及如何避免死鎖

一、死鎖的定義

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多線程以及多進(jìn)程改善了系統(tǒng)資源的利用率并提高了系統(tǒng) 的處理能力。然而，并發(fā)執(zhí)行也帶來了新的問題——死鎖。所謂死鎖是指多個(gè)線程因競(jìng)爭(zhēng)資源而造成的一種僵局（互相等待），若無外力作用，這些進(jìn)程都將無法向前推進(jìn)。

下面我們通過一些實(shí)例來說明死鎖現(xiàn)象。

先看生活中的一個(gè)實(shí)例，2個(gè)人一起吃飯但是只有一雙筷子，2人輪流吃（同時(shí)擁有2只筷子才能吃）。某一個(gè)時(shí)候，一個(gè)拿了左筷子，一人拿了右筷子，2個(gè)人都同時(shí)占用一個(gè)資源，等待另一個(gè)資源，這個(gè)時(shí)候甲在等待乙吃完并釋放它占有的筷子，同理，乙也在等待甲吃完并釋放它占有的筷子，這樣就陷入了一個(gè)死循環(huán)，誰也無法繼續(xù)吃飯。。。
在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中也存在類似的情況。例如，某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中只有一臺(tái)打印機(jī)和一臺(tái)輸入 設(shè)備，進(jìn)程P1正占用輸入設(shè)備，同時(shí)又提出使用打印機(jī)的請(qǐng)求，但此時(shí)打印機(jī)正被進(jìn)程P2 所占用，而P2在未釋放打印機(jī)之前，又提出請(qǐng)求使用正被P1占用著的輸入設(shè)備。這樣兩個(gè)進(jìn)程相互無休止地等待下去，均無法繼續(xù)執(zhí)行，此時(shí)兩個(gè)進(jìn)程陷入死鎖狀態(tài)。

二、死鎖產(chǎn)生的原因

1) 系統(tǒng)資源的競(jìng)爭(zhēng)

通常系統(tǒng)中擁有的不可剝奪資源，其數(shù)量不足以滿足多個(gè)進(jìn)程運(yùn)行的需要，使得進(jìn)程在 運(yùn)行過程中，會(huì)因爭(zhēng)奪資源而陷入僵局，如磁帶機(jī)、打印機(jī)等。只有對(duì)不可剝奪資源的競(jìng)爭(zhēng) 才可能產(chǎn)生死鎖，對(duì)可剝奪資源的競(jìng)爭(zhēng)是不會(huì)引起死鎖的。

2) 進(jìn)程推進(jìn)順序非法

進(jìn)程在運(yùn)行過程中，請(qǐng)求和釋放資源的順序不當(dāng)，也同樣會(huì)導(dǎo)致死鎖。例如，并發(fā)進(jìn)程 P1、P2分別保持了資源R1、R2，而進(jìn)程P1申請(qǐng)資源R2，進(jìn)程P2申請(qǐng)資源R1時(shí)，兩者都 會(huì)因?yàn)樗栀Y源被占用而阻塞。

信號(hào)量使用不當(dāng)也會(huì)造成死鎖。進(jìn)程間彼此相互等待對(duì)方發(fā)來的消息，結(jié)果也會(huì)使得這 些進(jìn)程間無法繼續(xù)向前推進(jìn)。例如，進(jìn)程A等待進(jìn)程B發(fā)的消息，進(jìn)程B又在等待進(jìn)程A 發(fā)的消息，可以看出進(jìn)程A和B不是因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)同一資源，而是在等待對(duì)方的資源導(dǎo)致死鎖。

3) 死鎖產(chǎn)生的必要條件

產(chǎn)生死鎖必須同時(shí)滿足以下四個(gè)條件，只要其中任一條件不成立，死鎖就不會(huì)發(fā)生。

• 互斥條件：進(jìn)程要求對(duì)所分配的資源（如打印機(jī)）進(jìn)行排他性控制，即在一段時(shí)間內(nèi)某 資源僅為一個(gè)進(jìn)程所占有。此時(shí)若有其他進(jìn)程請(qǐng)求該資源，則請(qǐng)求進(jìn)程只能等待。
  
• 不剝奪條件：進(jìn)程所獲得的資源在未使用完畢之前，不能被其他進(jìn)程強(qiáng)行奪走，即只能 由獲得該資源的進(jìn)程自己來釋放（只能是主動(dòng)釋放)。
• 請(qǐng)求和保持條件：進(jìn)程已經(jīng)保持了至少一個(gè)資源，但又提出了新的資源請(qǐng)求，而該資源 已被其他進(jìn)程占有，此時(shí)請(qǐng)求進(jìn)程被阻塞，但對(duì)自己已獲得的資源保持不放。
• 循環(huán)等待條件：存在一種進(jìn)程資源的循環(huán)等待鏈，鏈中每一個(gè)進(jìn)程已獲得的資源同時(shí)被 鏈中下一個(gè)進(jìn)程所請(qǐng)求。即存在一個(gè)處于等待狀態(tài)的進(jìn)程集合{Pl, P2, ..., pn}，其中Pi等 待的資源被P(i+1)占有（i=0, 1, ..., n-1)，Pn等待的資源被P0占有，如圖2-15所示。

直觀上看，循環(huán)等待條件似乎和死鎖的定義一樣，其實(shí)不然。按死鎖定義構(gòu)成等待環(huán)所 要求的條件更嚴(yán)，它要求Pi等待的資源必須由P(i+1)來滿足，而循環(huán)等待條件則無此限制。 例如，系統(tǒng)中有兩臺(tái)輸出設(shè)備，P0占有一臺(tái)，PK占有另一臺(tái)，且K不屬于集合{0, 1, ..., n}。

Pn等待一臺(tái)輸出設(shè)備，它可以從P0獲得，也可能從PK獲得。因此，雖然Pn、P0和其他 一些進(jìn)程形成了循環(huán)等待圈，但PK不在圈內(nèi)，若PK釋放了輸出設(shè)備，則可打破循環(huán)等待, 如圖2-16所示。因此循環(huán)等待只是死鎖的必要條件。

資源分配圖含圈而系統(tǒng)又不一定有死鎖的原因是同類資源數(shù)大于1。但若系統(tǒng)中每類資 源都只有一個(gè)資源，則資源分配圖含圈就變成了系統(tǒng)出現(xiàn)死鎖的充分必要條件。

產(chǎn)生死鎖的一個(gè)例子

/** 
* 一個(gè)簡(jiǎn)單的死鎖類 
* 當(dāng)DeadLock類的對(duì)象flag==1時(shí)（td1），先鎖定o1,睡眠500毫秒 
* 而td1在睡眠的時(shí)候另一個(gè)flag==0的對(duì)象（td2）線程啟動(dòng)，先鎖定o2,睡眠500毫秒 
* td1睡眠結(jié)束后需要鎖定o2才能繼續(xù)執(zhí)行，而此時(shí)o2已被td2鎖定； 
* td2睡眠結(jié)束后需要鎖定o1才能繼續(xù)執(zhí)行，而此時(shí)o1已被td1鎖定； 
* td1、td2相互等待，都需要得到對(duì)方鎖定的資源才能繼續(xù)執(zhí)行，從而死鎖。 
*/ 
public class DeadLock implements Runnable { 
  public int flag = 1; 
  //靜態(tài)對(duì)象是類的所有對(duì)象共享的 
  private static Object o1 = new Object(), o2 = new Object(); 
  @Override 
  public void run() { 
    System.out.println("flag=" + flag); 
    if (flag == 1) { 
      synchronized (o1) { 
        try { 
          Thread.sleep(500); 
        } catch (Exception e) { 
          e.printStackTrace(); 
        } 
        synchronized (o2) { 
          System.out.println("1"); 
        } 
      } 
    } 
    if (flag == 0) { 
      synchronized (o2) { 
        try { 
          Thread.sleep(500); 
        } catch (Exception e) { 
          e.printStackTrace(); 
        } 
        synchronized (o1) { 
          System.out.println("0"); 
        } 
      } 
    } 
  } 
 
  public static void main(String[] args) { 
     
    DeadLock td1 = new DeadLock(); 
    DeadLock td2 = new DeadLock(); 
    td1.flag = 1; 
    td2.flag = 0; 
    //td1,td2都處于可執(zhí)行狀態(tài)，但JVM線程調(diào)度先執(zhí)行哪個(gè)線程是不確定的。 
    //td2的run()可能在td1的run()之前運(yùn)行 
    new Thread(td1).start(); 
    new Thread(td2).start(); 
 
  } 
} 

三、如何避免死鎖

在有些情況下死鎖是可以避免的。三種用于避免死鎖的技術(shù)：

1. 加鎖順序（線程按照一定的順序加鎖）
2. 加鎖時(shí)限（線程嘗試獲取鎖的時(shí)候加上一定的時(shí)限，超過時(shí)限則放棄對(duì)該鎖的請(qǐng)求，并釋放自己占有的鎖）
3. 死鎖檢測(cè)

加鎖順序

當(dāng)多個(gè)線程需要相同的一些鎖，但是按照不同的順序加鎖，死鎖就很容易發(fā)生。

如果能確保所有的線程都是按照相同的順序獲得鎖，那么死鎖就不會(huì)發(fā)生?？聪旅孢@個(gè)例子：

Thread 1:
 lock A 
 lock B

Thread 2:
  wait for A
  lock C (when A locked)

Thread 3:
  wait for A
  wait for B
  wait for C

如果一個(gè)線程（比如線程3）需要一些鎖，那么它必須按照確定的順序獲取鎖。它只有獲得了從順序上排在前面的鎖之后，才能獲取后面的鎖。

例如，線程2和線程3只有在獲取了鎖A之后才能嘗試獲取鎖C(譯者注：獲取鎖A是獲取鎖C的必要條件)。因?yàn)榫€程1已經(jīng)擁有了鎖A，所以線程2和3需要一直等到鎖A被釋放。然后在它們嘗試對(duì)B或C加鎖之前，必須成功地對(duì)A加了鎖。

按照順序加鎖是一種有效的死鎖預(yù)防機(jī)制。但是，這種方式需要你事先知道所有可能會(huì)用到的鎖(譯者注：并對(duì)這些鎖做適當(dāng)?shù)呐判?，但總有些時(shí)候是無法預(yù)知的。

加鎖時(shí)限

另外一個(gè)可以避免死鎖的方法是在嘗試獲取鎖的時(shí)候加一個(gè)超時(shí)時(shí)間，這也就意味著在嘗試獲取鎖的過程中若超過了這個(gè)時(shí)限該線程則放棄對(duì)該鎖請(qǐng)求。若一個(gè)線程沒有在給定的時(shí)限內(nèi)成功獲得所有需要的鎖，則會(huì)進(jìn)行回退并釋放所有已經(jīng)獲得的鎖，然后等待一段隨機(jī)的時(shí)間再重試。這段隨機(jī)的等待時(shí)間讓其它線程有機(jī)會(huì)嘗試獲取相同的這些鎖，并且讓該應(yīng)用在沒有獲得鎖的時(shí)候可以繼續(xù)運(yùn)行(譯者注：加鎖超時(shí)后可以先繼續(xù)運(yùn)行干點(diǎn)其它事情，再回頭來重復(fù)之前加鎖的邏輯)。

以下是一個(gè)例子，展示了兩個(gè)線程以不同的順序嘗試獲取相同的兩個(gè)鎖，在發(fā)生超時(shí)后回退并重試的場(chǎng)景：

Thread 1 locks A
Thread 2 locks B

Thread 1 attempts to lock B but is blocked
Thread 2 attempts to lock A but is blocked

Thread 1's lock attempt on B times out
Thread 1 backs up and releases A as well
Thread 1 waits randomly (e.g. 257 millis) before retrying.

Thread 2's lock attempt on A times out
Thread 2 backs up and releases B as well
Thread 2 waits randomly (e.g. 43 millis) before retrying.

在上面的例子中，線程2比線程1早200毫秒進(jìn)行重試加鎖，因此它可以先成功地獲取到兩個(gè)鎖。這時(shí)，線程1嘗試獲取鎖A并且處于等待狀態(tài)。當(dāng)線程2結(jié)束時(shí)，線程1也可以順利的獲得這兩個(gè)鎖（除非線程2或者其它線程在線程1成功獲得兩個(gè)鎖之前又獲得其中的一些鎖）。

需要注意的是，由于存在鎖的超時(shí)，所以我們不能認(rèn)為這種場(chǎng)景就一定是出現(xiàn)了死鎖。也可能是因?yàn)楂@得了鎖的線程（導(dǎo)致其它線程超時(shí)）需要很長的時(shí)間去完成它的任務(wù)。

此外，如果有非常多的線程同一時(shí)間去競(jìng)爭(zhēng)同一批資源，就算有超時(shí)和回退機(jī)制，還是可能會(huì)導(dǎo)致這些線程重復(fù)地嘗試但卻始終得不到鎖。如果只有兩個(gè)線程，并且重試的超時(shí)時(shí)間設(shè)定為0到500毫秒之間，這種現(xiàn)象可能不會(huì)發(fā)生，但是如果是10個(gè)或20個(gè)線程情況就不同了。因?yàn)檫@些線程等待相等的重試時(shí)間的概率就高的多（或者非常接近以至于會(huì)出現(xiàn)問題）。
(譯者注：超時(shí)和重試機(jī)制是為了避免在同一時(shí)間出現(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)，但是當(dāng)線程很多時(shí)，其中兩個(gè)或多個(gè)線程的超時(shí)時(shí)間一樣或者接近的可能性就會(huì)很大，因此就算出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)而導(dǎo)致超時(shí)后，由于超時(shí)時(shí)間一樣，它們又會(huì)同時(shí)開始重試，導(dǎo)致新一輪的競(jìng)爭(zhēng)，帶來了新的問題。)

這種機(jī)制存在一個(gè)問題，在Java中不能對(duì)synchronized同步塊設(shè)置超時(shí)時(shí)間。你需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)自定義鎖，或使用Java5中java.util.concurrent包下的工具。寫一個(gè)自定義鎖類不復(fù)雜，但超出了本文的內(nèi)容。后續(xù)的Java并發(fā)系列會(huì)涵蓋自定義鎖的內(nèi)容。

死鎖檢測(cè)

死鎖檢測(cè)是一個(gè)更好的死鎖預(yù)防機(jī)制，它主要是針對(duì)那些不可能實(shí)現(xiàn)按序加鎖并且鎖超時(shí)也不可行的場(chǎng)景。

每當(dāng)一個(gè)線程獲得了鎖，會(huì)在線程和鎖相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中（map、graph等等）將其記下。除此之外，每當(dāng)有線程請(qǐng)求鎖，也需要記錄在這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

當(dāng)一個(gè)線程請(qǐng)求鎖失敗時(shí)，這個(gè)線程可以遍歷鎖的關(guān)系圖看看是否有死鎖發(fā)生。例如，線程A請(qǐng)求鎖7，但是鎖7這個(gè)時(shí)候被線程B持有，這時(shí)線程A就可以檢查一下線程B是否已經(jīng)請(qǐng)求了線程A當(dāng)前所持有的鎖。如果線程B確實(shí)有這樣的請(qǐng)求，那么就是發(fā)生了死鎖（線程A擁有鎖1，請(qǐng)求鎖7；線程B擁有鎖7，請(qǐng)求鎖1）。

當(dāng)然，死鎖一般要比兩個(gè)線程互相持有對(duì)方的鎖這種情況要復(fù)雜的多。線程A等待線程B，線程B等待線程C，線程C等待線程D，線程D又在等待線程A。線程A為了檢測(cè)死鎖，它需要遞進(jìn)地檢測(cè)所有被B請(qǐng)求的鎖。從線程B所請(qǐng)求的鎖開始，線程A找到了線程C，然后又找到了線程D，發(fā)現(xiàn)線程D請(qǐng)求的鎖被線程A自己持有著。這是它就知道發(fā)生了死鎖。

下面是一幅關(guān)于四個(gè)線程（A,B,C和D）之間鎖占有和請(qǐng)求的關(guān)系圖。像這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就可以被用來檢測(cè)死鎖。

那么當(dāng)檢測(cè)出死鎖時(shí)，這些線程該做些什么呢？

一個(gè)可行的做法是釋放所有鎖，回退，并且等待一段隨機(jī)的時(shí)間后重試。這個(gè)和簡(jiǎn)單的加鎖超時(shí)類似，不一樣的是只有死鎖已經(jīng)發(fā)生了才回退，而不會(huì)是因?yàn)榧渔i的請(qǐng)求超時(shí)了。雖然有回退和等待，但是如果有大量的線程競(jìng)爭(zhēng)同一批鎖，它們還是會(huì)重復(fù)地死鎖（編者注：原因同超時(shí)類似，不能從根本上減輕競(jìng)爭(zhēng)）。

一個(gè)更好的方案是給這些線程設(shè)置優(yōu)先級(jí)，讓一個(gè)（或幾個(gè)）線程回退，剩下的線程就像沒發(fā)生死鎖一樣繼續(xù)保持著它們需要的鎖。如果賦予這些線程的優(yōu)先級(jí)是固定不變的，同一批線程總是會(huì)擁有更高的優(yōu)先級(jí)。為避免這個(gè)問題，可以在死鎖發(fā)生的時(shí)候設(shè)置隨機(jī)的優(yōu)先級(jí)。

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持創(chuàng)新互聯(lián)。

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