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什么是线程死锁?怎么避免?

认识线程死锁

        多线程以及多进程改善了系统资源的利用率并提高了系统 的处理能力。然而,并发执行也带来了新的问题——死锁。所谓死锁是指多个线程因竞争资源而造成的一种僵局(互相等待),若无外力作用,这些进程都将无法向前推进。

        下面我们通过一些实例来说明死锁现象。

        先看生活中的一个实例,2个人一起吃饭但是只有一双筷子,2人轮流吃(同时拥有2只筷子才能吃)。某一个时候,一个拿了左筷子,一人拿了右筷子,2个人都同时占用一个资源,等待另一个资源,这个时候甲在等待乙吃完并释放它占有的筷子,同理,乙也在等待甲吃完并释放它占有的筷子,这样就陷入了一个死循环,谁也无法继续吃饭......

        在计算机系统中也存在类似的情况。例如,某计算机系统中只有一台打印机和一台输入 设备,进程P1正占用输入设备,同时又提出使用打印机的请求,但此时打印机正被进程P2 所占用,而P2在未释放打印机之前,又提出请求使用正被P1占用着的输入设备。这样两个进程相互无休止地等待下去,均无法继续执行,此时两个进程陷入死锁状态。

下面通过一个例子来说明线程死锁,代码模拟了上图的死锁的情况 :

public class DeadLockDemo {
    private static Object resource1 = new Object();//资源 1
    private static Object resource2 = new Object();//资源 2

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (resource1) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2");
                synchronized (resource2) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                }
            }
        }, "线程 1").start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (resource2) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource1");
                synchronized (resource1) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                }
            }
        }, "线程 2").start();
    }
}

Output

Thread[线程 1,5,main]get resource1
Thread[线程 2,5,main]get resource2
Thread[线程 1,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 2,5,main]waiting get resource1

        线程 A 通过 synchronized (resource1) 获得 resource1 的监视器锁,然后通过Thread.sleep(1000);让线程 A 休眠 1s 为的是让线程 B 得到执行然后获取到 resource2 的监视器锁。线程 A 和线程 B 休眠结束了都开始企图请求获取对方的资源,然后这两个线程就会陷入互相等待的状态,这也就产生了死锁。上面的例子符合产生死锁的四个必要条件。

学过操作系统的朋友都知道产生死锁必须具备以下四个条件:

  • 互斥条件:该资源任意一个时刻只由一个线程占用。

  • 请求与保持条件:一个进程因请求资源而阻塞时,对已获得的资源保持不放。

  • 不剥夺条件:线程已获得的资源在末使用完之前不能被其他线程强行剥夺,只有自己使用完毕后才释放资源。

  • 循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

死锁产生的原因

1) 系统资源的竞争

        通常系统中拥有的不可剥夺资源,其数量不足以满足多个进程运行的需要,使得进程在 运行过程中,会因争夺资源而陷入僵局,如磁带机、打印机等。只有对不可剥夺资源的竞争 才可能产生死锁,对可剥夺资源的竞争是不会引起死锁的。

2) 进程推进顺序非法

        进程在运行过程中,请求和释放资源的顺序不当,也同样会导致死锁。例如,并发进程 P1、P2分别保持了资源R1、R2,而进程P1申请资源R2,进程P2申请资源R1时,两者都 会因为所需资源被占用而阻塞。

        信号量使用不当也会造成死锁。进程间彼此相互等待对方发来的消息,结果也会使得这 些进程间无法继续向前推进。例如,进程A等待进程B发的消息,进程B又在等待进程A 发的消息,可以看出进程A和B不是因为竞争同一资源,而是在等待对方的资源导致死锁。

3) 死锁产生的必要条件

        产生死锁必须同时满足以下四个条件,只要其中任一条件不成立,死锁就不会发生。

        互斥条件:进程要求对所分配的资源(如打印机)进行排他性控制,即在一段时间内某 资源仅为一个进程所占有。此时若有其他进程请求该资源,则请求进程只能等待。

        不剥夺条件:进程所获得的资源在未使用完毕之前,不能被其他进程强行夺走,即只能 由获得该资源的进程自己来释放(只能是主动释放)。

        请求和保持条件:进程已经保持了至少一个资源,但又提出了新的资源请求,而该资源 已被其他进程占有,此时请求进程被阻塞,但对自己已获得的资源保持不放。

        循环等待条件:存在一种进程资源的循环等待链,链中每一个进程已获得的资源同时被 链中下一个进程所请求。即存在一个处于等待状态的进程集合{Pl, P2, ..., pn},其中Pi等 待的资源被P(i+1)占有(i=0, 1, ..., n-1),Pn等待的资源被P0占有,如图2-15所示。

        直观上看,循环等待条件似乎和死锁的定义一样,其实不然。按死锁定义构成等待环所 要求的条件更严,它要求Pi等待的资源必须由P(i+1)来满足,而循环等待条件则无此限制。例如,系统中有两台输出设备,P0占有一台,PK占有另一台,且K不属于集合{0, 1, ..., n}。

        Pn等待一台输出设备,它可以从P0获得,也可能从PK获得。因此,虽然Pn、P0和其他 一些进程形成了循环等待圈,但PK不在圈内,若PK释放了输出设备,则可打破循环等待, 如图2-16所示。因此循环等待只是死锁的必要条件。

线程死锁.jpg


        资源分配图含圈而系统又不一定有死锁的原因是同类资源数大于1。但若系统中每类资 源都只有一个资源,则资源分配图含圈就变成了系统出现死锁的充分必要条件。

如何避免线程死锁?

        我上面说了产生死锁的四个必要条件,为了避免死锁,我们只要破坏产生死锁的四个条件中的其中一个就可以了。现在我们来挨个分析一下:

  • 破坏互斥条件 :这个条件我们没有办法破坏,因为我们用锁本来就是想让他们互斥的(临界资源需要互斥访问)。

  • 破坏请求与保持条件 :一次性申请所有的资源。

  • 破坏不剥夺条件 :占用部分资源的线程进一步申请其他资源时,如果申请不到,可以主动释放它占有的资源。

  • 破坏循环等待条件 :靠按序申请资源来预防。按某一顺序申请资源,释放资源则反序释放。破坏循环等待条件。

我们对线程 2 的代码修改成下面这样就不会产生死锁了。

new Thread(() -> {
      synchronized (resource1) {
          System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
          try {
              Thread.sleep(1000);
          } catch (InterruptedException e) {
              e.printStackTrace();
          }
          System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2");
          synchronized (resource2) {
              System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
          }
      }
  }, "线程 2").start();

Output

Thread[线程 1,5,main]get resource1
Thread[线程 1,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 1,5,main]get resource2
Thread[线程 2,5,main]get resource1
Thread[线程 2,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 2,5,main]get resource2

Process finished with exit code 0

我们分析一下上面的代码为什么避免了死锁的发生?

        线程 1 首先获得到 resource1 的监视器锁,这时候线程 2 就获取不到了。然后线程 1 再去获取 resource2 的监视器锁,可以获取到。然后线程 1 释放了对 resource1、resource2 的监视器锁的占用,线程 2 获取到就可以执行了。这样就破坏了破坏循环等待条件,因此避免了死锁。

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