解锁多线程死锁之谜：深入探讨使用GDB调试的技巧

多线程编程是现代软件开发中的一项重要技术，但随之而来的挑战之一是多线程死锁。多线程死锁是程序中的一种常见问题，它会导致线程相互等待，陷入无法继续执行的状态。这里，我们将探讨多线程死锁的概念、原理，同时我们通过一个例子来介绍如何使用GDB（GNU Debugger）这一工具来排查和解决多线程死锁问题。

多线程死锁的概念

多线程死锁是多线程编程中的一种关键问题。它发生在多个线程试图获取一组资源（通常是锁或资源对象）时，导致彼此相互等待的情况。具体来说，当线程1持有资源A并等待资源B，而线程2持有资源B并等待资源A时，就可能发生死锁。

多线程死锁原理

为了更好地理解多线程死锁的原理，让我们考虑一个简单的示例。假设有两个资源A和B，以及两个线程（Thread 1和Thread 2）。线程1需要获取资源A和B，线程2需要获取资源B和A。如果线程1获取了资源A，而线程2获取了资源B，它们都无法继续，因为它们都需要对方持有的资源才能继续。这就是典型的死锁情况。

多线程死锁通常发生在以下情况下：

• 线程同时持有一个资源并等待另一个资源。
• 资源分配不当，线程没有按照相同的顺序获取资源。

多线程死锁之所以会发生，是因为线程之间的相互依赖和等待。当多个线程需要共享资源时，它们可能会按不同的顺序获取这些资源，导致资源互斥问题，最终引发死锁。

排查多线程死锁

GDB是一个强大的调试工具，可以用来排查多线程死锁问题。下面通过一个例子来说下如何使用gdb调试死锁问题，这也是前段时间我碰锁问题新学到的技能。

简单的代码如下：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>

pthread_mutex_t mutex1 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex2 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t exit_condition = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int should_exit = 0;

void *thread1_function(void *arg) {
    while (1) {
        printf("Thread 1: Attempting to acquire mutex1...n");
        pthread_mutex_lock(&mutex1);
        printf("Thread 1: Acquired mutex1.n");

        printf("Thread 1: Attempting to acquire mutex2...n");
        pthread_mutex_lock(&mutex2);
        printf("Thread 1: Acquired mutex2.n");

        // 在此处检查是否应该退出
        if (should_exit) {
            pthread_mutex_unlock(&mutex2);
            pthread_mutex_unlock(&mutex1);
      break;
        }

        pthread_mutex_unlock(&mutex1);
        pthread_mutex_unlock(&mutex2);
    }
    printf("Thread 1 exit done!n");
    pthread_exit(NULL);
}

void *thread2_function(void *arg) {
    sleep(5); // 让线程2休眠10秒钟

    printf("Thread 2: Attempting to acquire mutex2...n");
    pthread_mutex_lock(&mutex2);
    printf("Thread 2: Acquired mutex2.n");

    printf("Thread 2: Notifying Thread 1 to exit...n");
    should_exit = 1;
    pthread_cond_signal(&exit_condition);

    //通过不释放该锁制造死锁
    pthread_mutex_unlock(&mutex2);

    printf("Thread 2 exit done!n");
    //exit执行后不会再执行该函数后面部分
    pthread_exit(NULL);
}

int mAIn() {
    pthread_t thread1, thread2;

    pthread_create(&thread1, NULL, thread1_function, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, thread2_function, NULL);

    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);

    return 0;
}

代码很简单，通过创建两个线程，线程1睡眠5s为mutex2加锁并通知线程1进行退出，之后线程2退出，线程1是个while循环，不停的对mutex1进行加解锁，并加锁后检测是否退出，退出则对mutex2进行加锁打印，然后释放mutex1、mutex2进行退出。

使用：gcc thread.c -g -lpthread -o thread编译，因为要gdb调试所以需要带上-g参数，正常现象会执行结束打印如下：

现在我们屏蔽掉线程2释放mutex2进行死锁调试：

void *thread2_function(void *arg) {
    sleep(5); // 让线程2休眠10秒钟

    printf("Thread 2: Attempting to acquire mutex2...n");
    pthread_mutex_lock(&mutex2);
    printf("Thread 2: Acquired mutex2.n");

    printf("Thread 2: Notifying Thread 1 to exit...n");
    should_exit = 1;
    pthread_cond_signal(&exit_condition);

    //通过不释放该锁制造死锁
    //pthread_mutex_unlock(&mutex2);

    printf("Thread 2 exit done!n");
    //exit执行后不会再执行该函数后面部分
    pthread_exit(NULL);
}

实际环境中我们并不知道死锁发生，所以我们通过gdb先运行一次直到程序无法正常退出时，执行bt查看堆栈：

这里因为加了打印所以很快可以看到mutex2上锁那里卡住，实际环境会有很多线程运行，我们并不直到哪里会有问题，此时只能通过bt查看堆栈我们发现卡在函数__futex_abstimed_wait_common64，运行到./nptl/futex-internal.c文件第57行。

这里我们只需要知道该函数__futex_abstimed_wait_common64是linux内核中用于处理互斥锁等待超时的一个内部函数即可。

此时可以断定代码存在死锁问题了，我们继续排查。

我们继续看bt信息，发现该等待是从#4  0x00005555555553c8 in main () at thread.c:59调入的，因为前面是#4，所以使用f 4进入该函数。

我们发现是main里调入，同时在执行thread1的pthread_join，所以前面的__futex_abstimed_wait_common64并不是我们真正要找的问题，其实thread1已经来到了join的位置，等待结束了。我们继续执行thread Apply all bt把所有线程堆栈打出来看下：

根据前面分析thread 1已经正常退出了，我们这里看到thread 2卡在futex_wait，根据上下文非常明显是在等待futex lock，再往下看我们发现锁mutex2，这里就是thread2在等待mutex2，那么mutex2被谁lock住没释放呢？我们通过p mutex2来查看owner即可知道该锁被谁拥有。

这里有个问题，是因为该代码恰巧thread 1退出等待join了，所以这里的23890是个内核线程，在持有着mutex2，实际环境中我们会看到owner大概会是info threads中的LWP，于是就可以定位到该锁被谁持有没有释放了，再分析代码即可。

我把thread 1再改下，不直接退出而是一直while(1)的形态来测试，此时再通过上述来查找mutex2被谁持有即可直观看到：