【多线程】死锁

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文章目录

  • 1. 死锁的三种情况
    • 1.1 一个线程一把锁(同一个线程给同一个对象加两次锁的情况)
    • 1.2 两个线程两把锁
    • 1.3 N个线程M把锁
  • 2. 造成死锁的 4 个必要条件
  • 3. 如何避免死锁?
    • 3.1 加锁顺序
    • 3.2 资源分配策略
    • 3.3 设置锁的超时机制
    • 3.4 死锁检测与恢复
    • 3.5 避免共享资源

在 常见的锁策略 这期内容中,介绍了几种常见的锁策略,其中,提到了"死锁"这一概念,本期内容具体讲解死锁~

1. 死锁的三种情况

1.1 一个线程一把锁(同一个线程给同一个对象加两次锁的情况)

一个线程一把锁的这个情况下,可重入锁没事,不可重入锁发生死锁!

class BlockingQueue {synchronized void put(int elem) {this.size();...}synchronized int size() {...}
}

在上述代码中,put()方法和size()方法这两个方法都给同一个锁对象 this 加锁,通过上述代码,可以看到,在 put()方法中调用了size()方法,进入put()方法的时候,对 this 对象加锁了,而在put()中调用size()时,又对 this 对象加了锁,这在日常开发中,很常见,实际上,这个情况并不会造成死锁,因为 synchronized 是可重入锁

常见的锁策略 介绍了可重入锁和不可重入锁,在这里,再简单介绍一下:

  • 可重入锁:允许同一个线程多次获取同一把锁,如果一个锁,在一个线程中,连续对锁,加锁两次,不死锁,即可重入锁
  • 不可重入锁:如果一个锁,在一个线程中连续对锁,加锁两次,死锁,则是不可重入锁

1.2 两个线程两把锁

两个线程两把锁的这个情况下,即使是可重入锁,也可能会死锁,比如这个情况,如下图:

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t1 线程和 t2 线程并发执行,t1 线程先对 locker1 加锁,t2 线程先对 locker2 加锁,t1 线程继续执行,此时又要对 locker2 加锁,但是必须等待 t2 线程先释放 locker2,t2 线程继续执行,又要对 locker1 加锁,但是必须等待 t1 线程先释放 locker1,这样一来,就发生了死锁的情况

举一个生活中的栗子,这就好比在疫情期间,你没戴口罩准备去药店买口罩的时候,药店却让你必须戴口罩才能进入药店,这样就形成一个死锁的情况~

1.3 N个线程M把锁

线程的数量和锁的数量变多了后,更加复杂之后,就更容易造成死锁的情况~

这就涉及到一个著名的问题 —— “哲学家就餐问题” :5根筷子分别放在5位哲学家两两之间,哲学家想要吃面条,必须同时拿到左边的一根筷子和右边的一根筷子,只有一根筷子无法吃面条

这五个哲学家,
1)随机的进行去吃面条(拿筷子)和思考人生(放下筷子)
2)如果哲学家想要拿筷子,被别人占用了,就会等待,等的过程中不会放下手中已经拿到的筷子(非常地固执~)

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可以看到,如果此时五位哲学家同时拿起左手边的筷子,他们还想拿起右边的筷子,但是筷子已经被旁边的哲学家左手边拿起来了,只能进行阻塞等待,就死锁了,即一个线程如果想要两次加锁,已经加了一个,另一个被抢走了,它就会一直等待,同时,占用着第一次加的锁

2. 造成死锁的 4 个必要条件

  • 互斥使用:即一个线程拿到一把锁之后,这个资源被这个线程占有时,另一个线程不能使用【锁的基本特点】
  • 不可抢占:即一个线程拿到锁,只能自己主动释放,不能被其它线程强行占有,资源请求者不能强制从资源占有者手中夺取资源 (不能挖墙脚呀!)【锁的基本特点】
  • 请求和保持:即资源请求者在请求其它资源的同时,保持对原有资源的占有(典型的吃着碗里的看着锅里的)【代码的特点】
  • 循环等待:即存在一个等待队列,P1 占有 P2 资源,P2 占有 P3 资源,P3 占有 P4 资源,P4 资源占有 P1资源…,形成逻辑依赖循环的等待环路(钥匙锁车里了,车钥匙又锁家里了)(上述哲学家中,哲学家1等待5,2等待1,3等待2,4等待3,而5又等待1)【代码的特点】

3. 如何避免死锁?

避免死锁有很多种方法,这里介绍五种(重点介绍第一种:加锁顺序)

3.1 加锁顺序

死锁是一个比较严重的 BUG,实践中如何避免死锁呢?

当造成死锁的4个必要条件都成立时,形成死锁,在死锁的情况下,如果打破上述任何一个条件,死锁情况就可以避免,其中一个简单有效的办法是,破解循环等待这个条件

具体操作针对锁进行编号,如果需要同时获取多把锁,约定加锁顺序,务必是先对小的编号加锁,后对大的编号加锁

1)针对N个线程M把锁情况

约定:每个哲学家只能先获取左手和右手中编号较小的筷子,2 号哲学家先获取1 号筷子,剩下的哲学家也依次获取左右手之间编号较小的筷子,轮到最后一位 1 号哲学家的时候,由于 1 号筷子已经被占用,他就无法获取 1 号筷子,从而进入阻塞等待,这样哲学家还想拿一根筷子的时候,5 号哲学家可以拿到编号5的筷子,吃完面条后,将编号4和5的筷子放下,依次的3号、2号哲学家也能完成吃面的任务,等到 2 号哲学家放下筷子,1 号哲学家就可以拿到 1 号筷子和 5 号筷子,从而结束阻塞等待,不会形成死锁情况,如下图:

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因此,只要约定了加锁顺序,循环等待条件就会自然破除,死锁的情况也就可以避免,体现在代码中,就是只要是一个线程中要加多把锁,就一定需要注意加锁顺序,可以约定每次加锁的时候都先给编号小的加锁,后给编号大的加锁,并且所有的线程都遵循这个顺序即可

2)针对两个线程两把锁情况

只要每次加锁的时候都先给 locker1 加锁,后给 locker2 加锁即可,将线程加锁顺序固定下来,可以破除循环等待,如下图所示:

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3.2 资源分配策略

可以使用 银行家算法 等资源分配策略,主要用于多道程序系统中避免死锁的发生,银行家算法通过预测资源分配后的系统状态,来避免系统进入不安全状态,从而防止死锁的发生,其本质是对资源更合理的分配,但是本身这个算法比较复杂,实现这个算法本身还可能引入额外的 BUG,因此,不适合实际开发中使用(这里不详细展开)

3.3 设置锁的超时机制

在获取锁操作的过程中设置一个超时时间,在等待超过一定时间后放弃获取锁,并进行相应的处理,比如执行其它操作或重试,可避免长时间等待造成系统阻塞,从而避免死锁

3.4 死锁检测与恢复

在开发过程中,可以使用专门的工具,比如 Java 中 jstack,来检测死锁线程的状态和调用栈信息,通过周期性地检测系统中是否存在死锁,并采取相应的措施进行恢复,例如终止某些进程或回滚操作

3.5 避免共享资源

尽量减少进程间共享资源的数量,或者采用副本的方式而不是共享资源的方式,避免资源竞争导致死锁的可能性

💛💛💛本期内容回顾💛💛💛

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✨✨✨本期内容到此结束啦~

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