多线程之死锁详解

2019-10-15

一、什么是死锁

当两个或两个以上的线程在执行过程中，因为争夺资源而造成的一种相互等待的状态，由于存在一种环路的锁依赖关系而永远地等待下去，如果没有外部干涉，他们将永远等待下去，此时的这个状态称之为死锁。

经典的 “哲学家进餐” 问题很好地描述了死锁状况：

5个哲学家去吃中餐，坐在一张圆桌旁，他们有5根筷子(而不是5双)，并且每两个人中间放一根筷子，哲学家们要么在思考，要么在进餐，每个人都需要一双筷子才能吃到东西，并在吃完后将筷子放回原处继续思考，有些筷子管理算法 (1) 能够使每个人都能相对及时的吃到东西，但有些算法却可能导致一些或者所有哲学家都"饿死"，后一种情况将产生死锁：每个人都拥有其他人需要的资源，同时有等待其他人已经拥有的资源，并且每个人在获取所有需要的资源之前都不会放弃已经拥有的资源。筷子管理算法(1)：一个饥饿的科学家会尝试获得两根临近的筷子，但如果其中一根正在被另一个科学家使用，那么他将放弃已经得到的那根筷子，并在等待几分钟之后尝试

死锁：每个人都立即抓住自己左边的筷子，然后等待自己右边的筷子空出来，但同时又不放下已经拿到的筷子，形成一种相互等待的状态。

饥饿：哲学家们都同时想吃饭，同时拿起左手边筷子，但是发现右边没有筷子，于是哲学家又同时放下左手边筷子，然后大家发现又有筷子了，又同时开始拿起左手边筷子，又同时放下，然后反复进行。

在线程A持有锁L并想获得锁M的同时，线程B持有锁M并尝试获得锁L，那么这两个线程将永远地等待下去，这种情况就是死锁形式（或者称为"抱死"）.

二、死锁的四个必要条件

互斥条件：指进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的进程用完释放。

请求和保持条件：指进程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。

不剥夺条件：指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。

环路等待条件：指在发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链，即进程集合{A，B，C，···，Z} 中的A正在等待一个B占用的资源；B正在等待C占用的资源，……，Z正在等待已被A占用的资源。

三、死锁实例

/**
 * 死锁类示例
 */
public class DeadLock implements Runnable {
	public int flag = 1;
	//静态对象是类的所有对象共享的
	private static Object o1 = new Object(), o2 = new Object();
	@Override
	 public void run() {
		System.out.println("flag:{}"+flag);
		if (flag == 1) {
			//先锁o1，再对o2加锁，环路等待条件
			synchronized (o1) {
				try {
					Thread.sleep(500);
				}
				catch (Exception e) {
					e.printStackTrace();
				}
				synchronized (o2) {
					System.out.println("1");
				}
			}
		}
		if (flag == 0) {
			//先锁o2，在锁01
			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都处于可执行状态，但JVM线程调度先执行哪个线程是不确定的。
		//td2的run()可能在td1的run()之前运行
		new Thread(td1).start();
		new Thread(td2).start();
	}
}

1、当DeadLock 类的对象flag=1时（td1），先锁定o1,睡眠500毫秒

2、而td1在睡眠的时候另一个flag==0的对象（td2）线程启动，先锁定o2,睡眠500毫秒

3、td1睡眠结束后需要锁定o2才能继续执行，而此时o2已被td2锁定；

4、td2睡眠结束后需要锁定o1才能继续执行，而此时o1已被td1锁定；

5、td1、td2相互等待，都需要得到对方锁定的资源才能继续执行，从而死锁。

动态锁顺序死锁：

// 资金转账到账号
 public static void transferMoney(Account fromaccount,
 Account toAccount,
 DollarAmount amount)
 throws InsufficientFundsException {
 // 锁定汇款者的账户
 synchronized (fromAccount) {
 // 锁定到账者的账户
 synchronized (toAccount) {
 // 判断账户的余额不能为负数
 if (fromAccount.getBalance().compareTo(amount) < 0) {
 throw new InsufficientFundsException();
 } else {
 // 汇款者的账户减钱
 fromAccount.debit(amount);
 // 到账者的账户增钱
 toAccount.credit(amount);
 }
 }
 }
 }

上面的代码看起来都是按照相同的顺序来获得锁的，按道理来说是没有问题，但是上述代码中上锁的顺序取决于传递给transferMoney()的参数顺序，而这些参数顺序又取决于外部的输入

如果两个线程（A和B）同时调用transferMoney()
其中一个线程(A)，从X向Y转账：transferMoney(myAccount,yourAccount,10);
另一个线程(B)，从Y向X转账：transferMoney(yourAccount,myAccount,20);
此时 A线程可能获得 myAccount 的锁并等待 yourAccount的锁，然而 B线程此时已经持有 yourAccount 的锁，并且正在等待 myAccount 的锁，这种情况下就会发生死锁。

当一组JAVA线程发生死锁的时候，那么这些线程永远不能再使用了，根据线程完成工作的不同，可能会造成应用程序的完全停止，或者某个特定的子系统不能再使用了，或者是性能降低，这个时候恢复应用程序的唯一方式就是中止并重启它，死锁造成的影响很少会立即显现出来，如果一个类发生死锁，并不意味着每次都会发生死锁，而只是表示有可能，当死锁出现的时候，往往是在最糟糕的时候——在高负载的情况下。

四、死锁的避免与检测

4.1 预防死锁

破坏互斥条件：使资源同时访问而非互斥使用，就没有进程会阻塞在资源上，从而不发生死锁
破坏请求和保持条件：采用静态分配的方式，静态分配的方式是指进程必须在执行之前就申请需要的全部资源，且直至所要的资源全部得到满足后才开始执行，只要有一个资源得不到分配，也不给这个进程分配其他的资源。
破坏不剥夺条件：即当某进程获得了部分资源，但得不到其它资源，则释放已占有的资源，但是只适用于内存和处理器资源。
破坏循环等待条件：给系统的所有资源编号，规定进程请求所需资源的顺序必须按照资源的编号依次进行。

4.2 设置加锁顺序

如果两个线程（A和B）,当A线程已经锁住了Z，而又去尝试锁住X，而X已经被线程B锁住，线程A和线程B分别持有对应的锁，而又去争夺其他一个锁（尝试锁住另一个线程已经锁住的锁）的时候，就会发生死锁，如下图：

两个线程试图以不同的顺序来获得相同的锁，如果按照相同的顺序来请求锁，那么就不会出现循环的加锁依赖性，因此也就不会产生死锁，每个需要锁Z和锁X的线程都以相同的顺序来获取Z和X，那么就不会发生死锁了，如下图所示：

这样死锁就永远不会发生。针对两个特定的锁，可以尝试按照锁对象的hashCode值大小的顺序，分别获得两个锁，这样锁总是会以特定的顺序获得锁，我们通过设置锁的顺序，来防止死锁的发生，在这里我们使用System.identityHashCode方法来定义锁的顺序，这个方法将返回由Obejct.hashCode 返回的值，这样就可以消除死锁发生的可能性。

public class DeadLockExample3 {
 // 加时赛锁，在极少数情况下，如果两个hash值相等，使用这个锁进行加锁
 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);
 }
 }
 }
 // 得到两个锁的hash值
 int fromHash = System.identityHashCode(fromAcct);
 int toHash = System.identityHashCode(toAcct);
 // 根据hash值判断锁顺序，决定锁的顺序
 if (fromHash < toHash) {
 synchronized (fromAcct) {
 synchronized (toAcct) {
 new Helper().transfer();
 }
 }
 } else if (fromHash > toHash) {
 synchronized (toAcct) {
 synchronized (fromAcct) {
 new Helper().transfer();
 }
 }
 } else {// 如果两个对象的hash相等，通过tieLock来决定加锁的顺序，否则又会重新引入死锁——加时赛锁
 synchronized (tieLock) {
 synchronized (fromAcct) {
 synchronized (toAcct) {
 new Helper().transfer();
 }
 }
 }
 }
 }
}

在极少数情况下，两个对象可能拥有两个相同的散列值，此时必须通过某种任意的方法来决定锁的顺序，否则可能又会重新引入死锁。
为了避免这种情况，可以使用 “加时(Tie-Breaking)）”锁，这获得这两个Account锁之前，从而消除了死锁发生的可能性

4.3 支持定时的锁（超时放弃）

有一项技术可以检测死锁和从死锁中恢复过来，就是使用Lock类中的定时public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException功能，来代替内置锁机制，当使用内置锁的时候，只要没有获得锁，就会永远等待下去，而tryLock可以指定一个超时时间(Timeout)，在等待超过时间后tryLock会返回一个失败信息，如果超时时限比获取锁的时间要长很多，那么就可以在发生某个意外后重新获得控制权。如下图所示：

4.4 死锁避免

死锁防止方法能够防止发生死锁，但必然会降低系统并发性，导致低效的资源利用率，其中最具有代表性的避免死锁算法是银行家算法。

1、多个资源的银行家算法

上图中有五个进程，四个资源。左边的图表示已经分配的资源，右边的图表示还需要分配的资源。最右边的 E、P 以及 A 分别表示：总资源、已分配资源以及可用资源，注意这三个为向量，而不是具体数值，例如 A=(1020)，表示 4 个资源分别还剩下 1/0/2/0。

检查一个状态是否安全的算法如下：

查找右边的矩阵是否存在一行小于等于向量 A。如果不存在这样的行，那么系统将会发生死锁，状态是不安全的。
假若找到这样一行，将该进程标记为终止，并将其已分配资源加到 A 中。
重复以上两步，直到所有进程都标记为终止，则状态时安全的。
如果一个状态不是安全的，需要拒绝进入这个状态。

4.5 死锁检测

对资源的分配加以适当限制可防止或避免死锁发生，但不利于进程对系统资源的充分共享。
为每个进程和每个资源指定一个唯一的号码
Jstack命令

jstack用于生成java虚拟机当前时刻的线程快照。线程快照是当前java虚拟机内每一条线程正在执行的方法堆栈的集合，生成线程快照的主要目的是定位线程出现长时间停顿的原因，如线程间死锁、死循环、请求外部资源导致的长时间等待，线程出现停顿的时候通过jstack来查看各个线程的调用堆栈，就可以知道没有响应的线程到底在后台做什么事情，或者等待什么资源。

JConsole工具

Jconsole是JDK自带的监控工具，在JDK/bin目录下可以找到。它用于连接正在运行的本地或者远程的JVM，对运行在Java应用程序的资源消耗和性能进行监控，并画出大量的图表，提供强大的可视化界面。而且本身占用的服务器内存很小，甚至可以说几乎不消耗。

4.5 死锁恢复

资源剥夺：剥夺陷于死锁的进程所占用的资源，但并不撤销此进程，直至死锁解除
进程回退：根据系统保存的检查点让所有的进程回退，直到足以解除死锁，这种措施要求系统建立保存检查点、回退及重启机制
进程撤销：

1、撤销陷入死锁的所有进程，解除死锁，继续运行。2、逐个撤销陷入死锁的进程，回收其资源并重新分配，直至死锁解除。可选择符合下面条件之一的先撤销： 1.CPU消耗时间最少者 2.产生的输出量最小者 3.预计剩余执行时间最长者 4.分得的资源数量最少者后优先级最低者

系统重启：结束所有进程的执行并重新启动操作系统。这种方法很简单，但先前的工作全部作废。