内存飙升，罪魁祸首竟是死锁，这样检测和处理减少一半加班时间
你是否因为写出死锁导致半夜加班，扣绩效？你是否为小白程序员，还没有接触过并发编程不知道什么死锁，你是否希望通过并发编程这块突破自己的瓶颈，在新的一年挑战高薪？那么JAVA并发编程中的死锁是你避不开的。
在通过redis或者zookeeper实现分布式锁时也可能出现死锁，本篇文章从Java线程入手，解密以下几点：
- 什么是死锁，死锁如何产生
- 通过有趣的案例实现死锁，并分析原因
- 分析死锁产生的四个必要条件，并且解决死锁
- 通过Java自带工具检测和定位死锁位置
- 通过银行家算法，规避死锁问题
什么是死锁
死锁是进程死锁的简称，是由Dijkstra于1965年研究银行家算法时首先提出来的。它是计算机操作系统乃至并发程序设计中最难处理的问题之一。实际上，死锁问题不仅在计算机系统中存在，在我们日常生活中它也广泛存在。
我们来看一个死锁例子：
公司需要有工作经验的员工，而刚毕业的小伙伴需要工作来获得工作经验，这样企业和应届生之间就产生了死锁现象
这样的例子还有很多，比如：两辆车过桥
电影中的经典情节：我要的货呢，你带钱没有，最后一手交钱一手交货
所谓的死锁其实是一种现象，就是两个或两个以上线程的多线程情况下，多个线程同时被阻塞，它们中的一个或全部都在等待某一锁资源的释放，由于线程被无期限的阻塞，因此程序不会继续执行，表现为卡住不动。
如：线程1和线程2的运行都需要A资源和B资源，此时线程1获取了A资源，线程2获取到了B锁，此时线程1获取不到B锁和线程2获取不到A锁，导致两个线程彼此僵持！
多把锁场景
之前文章中的案例都是使用一把锁，死锁是线程需要多把锁才会出现，那么什么场景下需要多把锁呢？
案例
家中住着张三和翠花夫妻二人，家庭条件一般，只有一个厨房，希望实现翠花做饭和张三洗菜互不相干
一把锁解决
分析：
- 定义一个厨房类，两个功能，分别为洗菜和做饭【煮粥不是炒菜】
- 定义一把锁，直接将厨房锁上
- 假设洗菜需要1秒，做饭需要2秒
- 洗菜和做饭时使用唯一的一把厨房锁，将整个厨房锁上，实现互不打扰
厨房类：
package com.tianzhen.thread;
import java.time.LocalDateTime;
import java.time.format.DateTimeFormatter;
public class KitchenRoom {
// 锁对象
public Object lock = new Object();
// 洗菜
public void washing() {
// 锁住房间
synchronized (lock) {
// 输出开始时间 + 操作
System.out.println(LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("HH:mm:ss SSS")) + "：洗菜");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
}
// 做饭【煮粥】
public void cook() {
// 锁上房间
synchronized (lock) {
// 输出开始时间 + 操作
System.out.println(LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("HH:mm:ss SSS")) + "：做饭");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
}
}
运行结果：
使用一把锁的时候性能较低，因为锁的范围太大了，直接将厨房锁住，只需将房间内的每一个功能单独锁起来即可，比如：单独将洗菜，做饭，使用冰箱锁住，不能多人同时使用，应该将锁细化，这样同一个房间就可以同时做很多工作，厨房的利用率就会上来，洗菜和做饭可以同步进行，这样是不就可以早点吃上美味了呢！
厨房改造：
package com.tianzhen.thread;
import java.time.LocalDateTime;
import java.time.format.DateTimeFormatter;
public class KitchenRoom {
// 洗菜锁
public Object washLock = new Object();
// 做饭锁
public Object cookLock = new Object();
// 洗菜
public void washing() {
// 使用洗菜锁
synchronized (washLock) {
System.out.println(LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("HH:mm:ss SSS")) + "：洗菜");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
}
// 做饭
public void cook() {
// 使用做饭锁
synchronized (cookLock) {
System.out.println(LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("HH:mm:ss SSS")) + "：做饭");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
}
}
运行结果：
发现做饭【煮粥】和洗菜是同时开始的，通过细化锁，可以提升程序性能，必须要保障两个操作没有关联性，比如煮粥不需要等菜洗好，如果是炒菜，就需要等待菜洗好才可以进行。
锁细粒度化的好处是：提高程序等性能，弊端在于：如果一个线程同时需要多把锁，就可能产生死锁
死锁现象
以上边的企业和面试者为例演示死锁，企业招工需要有工作经验的程序员，但是添甄刚毕业，没有工作经验，需要有工作才能获取工作经验，这样就导致企业招不到人，面试者找不到工作的尴尬境地！
分析
- 这里有两个条件，一个是工作经验，一个是工作
- 企业先验证面试者是否有工作经验，才会给工作机会
- 面试者需要先获取工作，才能还有工作经验
- 两者如果僵持不下，就会产生死锁
代码实现
package com.tianzhen.thread;
public class Deadhread {
// 工作锁
private static Object work = new Object();
// 工作经验锁
private static Object workExperience = new Object();
public static void main(String[] args) {
// 企业线程
new Thread(() -> {
// 先锁定工作经验
synchronized (workExperience) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "我们需要有工作经验的");
// 给工作机会
synchronized (work) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "恭喜你通过面试加入我们");
}
}
},"企业线程：").start();
// 员工线程
new Thread(() -> {
// 先获取工作机会
synchronized (work) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "我需要工作才能有工作经验");
// 有工作经验
synchronized (workExperience) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "通过面试获得了工作经验");
}
}
},"面试者线程：").start();
}
}
运行结果：发现程序再企业和面试者各输出一句之后卡死不动
原因
图解
简单的说就是：我需要的东西你占着，你需要的东西我占着，而且我们都不会脑筋急转弯，就傻傻的等着对方让步，拿到自己需要的东西之后继续玩，但是大家都这么想那就谁也别玩了。
死锁产生的四个必要条件
- 互斥使用：即当资源被一个线程使用(占有)时，别的线程不能使用
- 不可抢占：资源请求者不能强制从资源占有者手中夺取资源，资源只能由资源占有者主动释放
- 请求和保持：即当资源请求者在请求其他的资源的同时保持对原有资源的占有
- 循环等待：即存在一个等待队列：企业线程占有workExperience锁资源，面试者线程占有 work锁 资源，面试者线程需要workExperience锁资源，企业线程需要work锁资源，彼此等待对方释放资源。这样就形成了一个等待环路
当上述四个条件都成立的时候，便形成死锁。当然，死锁的情况下如果打破上述任何一个条件，便可让死锁消失。
死锁检测
死锁检测其实非常简单，这里介绍两种方式监测死锁，如果你有更好的办法或工具记得在评论区分享哦！
方式1：命令检测
- 死锁就会导致程序卡死不动，它的特点就是占用内存比较多，首先找到占用内存多的Java进程
- 其次通过jps命令找到对应的java进程号
- 通过jstack 进程号得到进程信息
- 通过进程信息查看是否是死锁，发生在什么地方
1、window下通过任务管理器查看进程内存占用情况，linux下通过 top 命令查看，这里以window为例
2、通过jps命令获取该进程的进程号也就是PID
3、通过 jstack PID 查看进程信息
接下来的信息：在jstack输出的信息中最后出现了死锁提示，提示显示在DeadThread.java文件的第39行和23行，那你去排查代码就可以啦
方式2：通过jconsole工具
这个工具在查看JVM内存时也是可以使用的，它是JDK中携带官方提供的工具，无需下载第三方插件即可使用
1、打开 jconsole 工具，在命令行输入jconsole即可开启，箭头右侧就是该工具启动页
2、选择对应的Java进程查看信息，双击选中PID为128的Java进程
3、选中线程，点击下方检查死锁按钮
4、死锁检测结果，也会将死锁的信息展示出开【右侧信息需要双击左侧线程名才会展示出来】
如何避免死锁
这里说的避免死锁，其实是在生产环境中也就是项目上线运行不要出现死锁，不然又要被喊过去加班了，上边说了死锁产生的四个条件，只要我们将这四个条件中的任意一个破坏就不会产生死锁。
- 禁止一个线程同时持有多把锁
- 具备相同的加锁顺序
- 设置锁超时
- 死锁检测
方案1：具备相同加锁顺序
比如，企业和面试者的案例，调换两者加锁顺序一致即可解决死锁问题
package com.tianzhen.thread;
public class DeadThread {
// 工作锁
private static Object work = new Object();
// 工作经验锁
private static Object workExperience = new Object();
public static void main(String[] args) {
// 企业线程
new Thread(() -> {
// 工作
synchronized (work) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "来吧！加入我们，有无经验都可");
// 工作经验
synchronized (workExperience) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "感谢你的加入，为我们注入新鲜血液");
}
}
},"企业线程：").start();
// 员工线程
new Thread(() -> {
// 先获取工作机会
synchronized (work) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "我没有工作经验");
// 有工作经验
synchronized (workExperience) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "通过工作获得了工作经验");
}
}
},"面试者线程：").start();
}
}
运行结果：
此时就不会出现死锁，当企业线程运行占用work锁，这是如果发生线程切换，面试者也是要获取work锁，此时发现获取不到，就会进入阻塞，CPU放弃执行转而执行企业线程，此时企业线程获取workExperience锁，因为加锁顺序相同，此锁必然没有被比别的线程占用可以获得，继续执行，但是此时就无法实现交替执行，如果需要交替执行则需要使用线程通信实现，后边会安排此部分内容
方案2：设置超时
因为 synchronized 不会自动释放，无法设置超时时间，此方案需要通过Lock接口实现，改接口在Java并发编程合集的《Java线程安全问题和解决方案》一文中有详细介绍
- 通过tryLock尝试获取锁，如果获取不到就立即失败，不进入阻塞，你也可以调用tryLock(long time, TimeUnit unit)方法，设置获取所得超时时间，如果指定的时间没有获取到则继续运行
- 在finally中记得通过unlock方法释放锁，如果不释放锁，就会一直持有，陷入死锁
package com.tianzhen.thread;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class DeadThread {
// 工作锁
private static Lock work = new ReentrantLock();
// 工作经验锁
private static Lock workExperience = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) {
// 企业线程
new Thread(() -> {
// 工作
if (workExperience.tryLock()) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没有工作经验，立即失败！");
// 工作锁
if (work.tryLock()) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "技术不行，立即失败！");
} finally {
work.unlock();
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "有工作经验，通过面试，欢迎加入我们！");
} finally {
workExperience.unlock();
}
}
}, "企业线程：").start();
// 员工线程
new Thread(() -> {
if (work.tryLock()) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "我需要工作，才能有工作经验！");
// 工作锁
if (workExperience.tryLock()) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没有工作经验，告辞告辞！");
} finally {
workExperience.unlock();
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "有工作经验，获取工作！");
} finally {
work.unlock();
}
}
}, "面试者线程：").start();
}
}
此方法一定要记得调用unlock释放锁，同样可以解决死锁问题，因为不会像 synchronized 一样无脑等待，而是非常机智，如果拿不到就不要了，就好比追一个女孩子，追了三年还不行就放弃吧，而synchronized就是永不言弃，等到天荒地老，非常痴情。倾我半世阳光,许你天荒地老
你是不有更好的解决方案，赶紧掏出来唠唠吧！
银行家算法中避免死锁思维
银行家算法是一种最有代表性的避免死锁的算法。又被称为资源分配拒绝法。 在避免死锁方法中允许进程动态地申请资源，但系统在进行资源分配之前，应先计算此次分配资源的安全性，若此次分配不会导致系统进入不安全状态，则将资源分配给线程，否则进程等待
银行家算法中的数据结构
1、可利用资源向量Available 是个含有m个元素的数组，其中的每一个元素代表一类可利用的资源数目。如果Available[j]=K，则表示系统中现有Rj类资源K个。
2、最大需求矩阵Max 这是一个n×m的矩阵，它定义了系统中n个进程中的每一个进程对m类资源的最大需求。如果Max[i,j]=K，则表示进程i需要Rj类资源的最大数目为K。
3、分配矩阵Allocation 这也是一个n×m的矩阵，它定义了系统中每一类资源当前已分配给每一进程的资源数。如果Allocation[i,j]=K，则表示进程i当前已分得Rj类资源的数目为K。
4、需求矩阵Need 这也是一个n×m的矩阵，用以表示每一个进程尚需的各类资源数。如果Need[i,j]=K，则表示进程i还需要Rj类资源K个，方能完成其任务。 Need[i,j]=Max[i,j]-Allocation[i,j]
操作系统的两种状态
安全序列：是指一个进程序列{P1，…，Pn}是安全的，即对于每一个进程Pi(1≤i≤n），它以后尚需要的资源量不超过系统当前剩余资源量与所有进程Pj (j < i )当前占有资源量之和。
1、安全状态：如果存在一个由系统中所有进程构成的安全序列P1，…，Pn，则系统处于安全状态。安全状态一定是没有死锁发生。
2、不安全状态：不存在一个安全序列。不安全状态不一定导致死锁。
示例
首先判断一下当前的安全序列： 当前状态，可利用资源向量有 1 6 2 2
1、P0： 已分配 0 0 3 2， 还需要 0 0 1 2，当前可利用资源 1 6 2 2足够分配给P0； Process Allocation Need Available（Available-Need） Available+Allocation P0 0 0 4 4 0 0 0 0 1 6 1 0 1 6 5 4 P0分配成功：进入安全序列，分配完成后，将资源还给可利用资源
2、P1：已分配1 0 0 0， 还需要 1 7 5 0，当前可利用资源 1 6 5 4不够分配给P1； P1分配失败
3、P2： 已分配1 3 5 4， 还需要 2 3 5 6，当前可利用资源 1 6 5 4不够分配给P2； P2分配失败
4、P3： 已分配 0 3 3 2， 还需要 0 6 5 2，当前可利用资源 1 6 5 4足够分配给P3； Process Allocation Need Available（Available-Need） Available+Allocation P3 0 9 8 4 0 0 0 0 1 0 0 2 1 9 8 6 P3分配成功，进入安全序列，分配完成后，将资源还给可利用资源
5、P4： 已分配 0 0 1 4， 还需要 0 6 5 6，当前可利用资源 1 9 8 6足够分配给P4； Process Allocation Need Available（Available-Need） Available+Allocation P4 0 6 6 10 0 0 0 0 1 3 3 0 1 9 9 10 P4分配成功，进入安全序列，分配完成后，将资源还给可利用资源
6、P1： 已分配 1 0 0 0， 还需要 1 7 5 0，当前可利用资源 1 9 9 10足够分配给P1； Process Allocation Need Available（Available-Need） Available+Allocation P1 2 7 5 0 0 0 0 0 0 2 4 10 2 9 9 10 P1分配成功，进入安全序列，分配完成后，将资源还给可利用资源
7、P2： 已分配 1 3 5 4， 还需要 2 3 5 6，当前可利用资源 2 9 9 10足够分配给P2； Process Allocation Need Available（Available-Need） Available+Allocation P2 3 6 10 10 0 0 0 0 0 6 4 4 3 12 14 14 P4分配成功，进入安全序列，分配完成后，将资源还给可利用资源
所以：当前的安全序列为： p0-p3-p4-p1-p2
如果在未分配的时候：p2请求 1 2 2 2 ，从资源池里给他分配，请问可以分配吗？
答： 如果满足了P2的请求1 2 2 2 的话，要从可利用资源Available 1 6 2 2 中减去1 2 2 2，此时可利用资源为0 4 0 0 ， 纵观全局，如果满足了P2的请求，那么别的进程的需求都不能满足，导致资源不够分配，所以P2的请求不可以分配
Java代码实现银行家算法
import java.util.Scanner;
public class Banker {
int available[] = new int[]{3,3,2};//可利用的资源
int max[][] = new int[][]{{7,5,3},{3,2,2},{9,0,2},{2,2,2},{4,3,3}};//每个进程最大资源数
int allocation[][] = new int[][]{{0,1,0},{2,0,0},{3,0,2},{2,1,1},{0,0,2}};//每个进程目前拥有的资源数
int need[][] = new int[][]{{7,4,3},{1,2,2},{6,0,0},{0,1,1},{4,3,1}};//每个进程需要的资源数
void showData() {
//展示数据输出每个进程的相关数
System.out.println("进程号 Max All Need ");
System.out.println(" A B C A B C A B C");
for(int i = 0;i<5;i++){
System.out.print(i+" ");
for(int m = 0;m<3;m++) System.out.print(max[i][m]+" ");
for(int m = 0;m<3;m++) System.out.print(allocation[i][m]+" ");
for(int m = 0;m<3;m++) System.out.print(need[i][m]+" ");
System.out.println();
}
}
boolean change(int inRequestNum,int inRequest[])//分配数据
{
int requestNum = inRequestNum;
int request[] = inRequest;
// for(int i=0;i<3;i++)System.out.println("修改前available"+available[i]);
if(!(request[0]<=need[requestNum][0]&&request[1]<=need[requestNum][1]&&request[2]<=need[requestNum][2]))
{
//request[0]<=need[requestNum][0]
//request[1]<=need[requestNum][1]
//request[2]<=need[requestNum][2]
//每一类请求资源小于当前线程need的资源数
System.out.println("请求的资源数超过了所需要的最大值，分配错误");
return false;
}
if((request[0]<=available[0]&&request[1]<=available[1]&&request[2]<=available[2])==false)
{
//当前线程的每一类请求资源小于等于资源池对应资源的数量
System.out.println("尚无足够资源分配，必须等待");
return false;
}
for(int i = 0;i<3;i++)//试分配数据给请求的线程
{
available[i] = available[i]-request[i];
//资源池的每类资源减去每类请求资源数量
allocation[requestNum][i] = allocation[requestNum][i] + request[i];
//当前线程allocation中每类资源加上每类资源请求数量
need[requestNum][i] = need[requestNum][i] - request[i];
//当前线程need中每类资源数量减去每类资源的请求数量
}
// for(int i=0;i<3;i++)System.out.println("修改后available"+available[i]);
boolean flag = checkSafe(available[0],available[1],available[2]);//进行安全性检查并返回是否安全
// System.out.println("安全性检查后"+flag);
if(flag==true)
{
System.out.println("能够安全分配");
return true;
}
else//不能通过安全性检查 恢复到未分配前的数据
{
System.out.println("不能够安全分配");
for(int i = 0;i<3;i++)
{
available[i] = available[i]+request[i];
allocation[requestNum][i] = allocation[requestNum][i] - request[i];
need[requestNum][i] = need[requestNum][i] + request[i];
}
return false;
}
}
boolean checkSafe(int a,int b,int c)//安全性检查
{
int work[] = new int[3];
work[0] = a;
work[1] = b;
work[2] = c;
int i=0;
boolean finish[] = new boolean[5];
while(i<5)//寻找一个能够满足的认为完成后才去执行下一进程
{
if(finish[i]==false&&need[i][0]<=work[0]&&need[i][1]<=work[1]&&need[i][2]<=work[2])
{//找到满足的修改work值，然后i=0，重新从开始的为分配的中寻找
System.out.println("分配成功的是"+i);
for(int m = 0;m<3;m++)
work[m] =work[m] + allocation[i][m];
finish[i] = true;
i=0;
}
else//如果没有找到直接i++
i++;
}
for(i=0;i<5;i++)//通过finish数组判断是否都可以分配
{
if(finish[i]==false)
return false;
}
return true;
}
public static void main(String[] args)
{
Banker bank = new Banker();
bank.showData();
//请求线程资源存放的数组
int request[] =new int[3];
int requestNum;
String source[] = new String[]{"A","B","C"};
Scanner s = new Scanner(System.in);
String choice = new String();
while(true)//循环进行分配
{
System.out.println("请输入要请求的进程号（0--4）：");
requestNum = s.nextInt();
System.out.print("请输入请求的资源数目");
for(int i = 0;i<3;i++)
{
System.out.println(source[i]+"资源的数目：");
request[i] = s.nextInt();
}
bank.change(requestNum, request);
System.out.println("是否再请求分配(y/n)");
choice = s.next();
if(choice.equals("n"))
break;
}
}
}
运行结果：
总结
- 掌握死锁是什么，怎么产生
- 可以写出死锁代码证明对死锁的理解
- 可以通过工具检测死锁和解决死锁问题
- 掌握死锁思维，在编程时避免死锁
