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死锁的3种死法

2022-11-08 18:00 https://my.oschina.net/jiagoushi/blog/5589663 博学谷狂野架构师次阅读条评论

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1. 什么是死锁

在多线程环境中，多个进程可以竞争有限数量的资源。当一个进程申请资源时，如果这时没有可用资源，那么这个进程进入等待状态。有时，如果所申请的资源被其他等待进程占有，那么该等待进程有可能再也无法改变状态。这种情况称为死锁

在Java中使用多线程，就会有可能导致死锁问题。死锁会让程序一直卡住，不再往下执行。我们只能通过中止并重启的方式来让程序重新执行。

2. 造成死锁的原因

当前线程拥有其他线程需要的资源
当前线程等待其他线程已拥有的资源
都不放弃自己拥有的资源

3. 死锁的必要条件

3.1 互斥

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。

3.2 不可剥夺

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)。

3.3 请求与保持

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。

3.4 循环等待

是指进程发生死锁后，必然存在一个进程–资源之间的环形链，通俗讲就是你等我的资源，我等你的资源，大家一直等。

4. 死锁的分类

4.1 静态顺序型死锁

线程之间形成相互等待资源的环时，就会形成顺序死锁lock-ordering deadlock，多个线程试图以不同的顺序来获取相同的锁时，容易形成顺序死锁，如果所有线程以固定的顺序来获取锁，就不会出现顺序死锁问题

经典案例是LeftRightDeadlock，两个方法，分别是leftRigth、rightLeft。如果一个线程调用leftRight，另一个线程调用rightLeft，且两个线程是交替执行的，就会发生死锁。

public class LeftRightDeadLock {

    //左边锁
    private static Object left = new Object();
    //右边锁
    private static Object right = new Object();

    /**
     * 现持有左边的锁，然后获取右边的锁
     */
    public static void leftRigth() {
        synchronized (left) {
            System.out.println("leftRigth: left lock，threadId:" + Thread.currentThread().getId());
            //休眠增加死锁产生的概率
            sleep(100);
            synchronized (right) {
                System.out.println("leftRigth: right lock，threadId:" + Thread.currentThread().getId());
            }
        }
    }

    /**
     * 现持有右边的锁，然后获取左边的锁
     */
    public static void rightLeft() {
        synchronized (right) {
            System.out.println("rightLeft: right lock，threadId:" + Thread.currentThread().getId());
            //休眠增加死锁产生的概率
            sleep(100);
            synchronized (left) {
                System.out.println("rightLeft: left lock，threadId:" + Thread.currentThread().getId());
            }
        }
    }

    /**
     * 休眠
     *
     * @param time
     */
    private static void sleep(long time) {
        try {
            Thread.sleep(time);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        //创建一个线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        executorService.execute(() -> leftRigth());
        executorService.execute(() -> rightLeft());
        executorService.shutdown();
    }
}

输出：

leftRigth: left lock，threadId:12
rightLeft: right lock，threadId:13

我们发现，12号线程锁住了左边要向右边获取锁，13号锁住了右边，要向左边获取锁，因为两边都不释放自己的锁，互不相让，就产生了死锁。

4.1.1 解决方案

固定加锁的顺序(针对锁顺序死锁)

只要交换下锁的顺序，让线程来了之后先获取同一把锁，获取不到就等待，等待上一个线程释放锁再获取锁。

public static void leftRigth() {
       synchronized (left) {
         ...
           synchronized (right) {
            ...
           }
       }
   }

   public static void rightLeft() {
       synchronized (left) {
         ...
           synchronized (right) {
            ...
           }
       }
   }

4.2 动态锁顺序型死锁

由于方法入参由外部传递而来，方法内部虽然对两个参数按照固定顺序进行加锁，但是由于外部传递时顺序的不可控，而产生锁顺序造成的死锁，即动态锁顺序死锁。

上例告诉我们，交替的获取锁会导致死锁，且锁是固定的。有时候锁的执行顺序并不那么清晰，参数导致不同的执行顺序。经典案例是银行账户转账，from账户向to账户转账，在转账之前先获取两个账户的锁，然后开始转账，如果这是to账户向from账户转账，角色互换，也会导致锁顺序死锁。

/**
 * 动态顺序型死锁
 * 转账业务
 */
public class TransferMoneyDeadlock {

    public static void transfer(Account from, Account to, int amount) {
        //先锁住转账的账户
        synchronized (from) {
            System.out.println("线程【" + Thread.currentThread().getId() + "】获取【" + from.name + "】账户锁成功");
            //休眠增加死锁产生的概率
            sleep(100);
            //在锁住目标账户
            synchronized (to) {
                System.out.println("线程【" + Thread.currentThread().getId() + "】获取【" + to.name + "】账户锁成功");
                if (from.balance < amount) {
                    System.out.println("余额不足");
                    return;
                } else {
                    from.debit(amount);
                    to.credit(amount);
                    System.out.println("线程【" + Thread.currentThread().getId() + "】从【" + from.name + "】账户转账到【" + to.name + "】账户【" + amount + "】元钱成功");
                }
            }
        }
    }

    private static class Account {
        String name;
        int balance;

        public Account(String name, int balance) {
            this.name = name;
            this.balance = balance;
        }

        void debit(int amount) {
            this.balance = balance - amount;
        }

        void credit(int amount) {
            this.balance = balance + amount;
        }
    }


    /**
     * 休眠
     *
     * @param time
     */
    private static void sleep(long time) {
        try {
            Thread.sleep(time);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        //创建线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        //创建账户A
        Account A = new Account("A", 100);
        //创建账户B
        Account B = new Account("B", 200);
        //A -> B 的转账
        executorService.execute(() -> transfer(A, B, 5));
        //B -> A 的转账
        executorService.execute(() -> transfer(B, A, 10));
        executorService.shutdown();
    }
}

输出：

线程【12】获取【A】账户锁成功
线程【13】获取【B】账户锁成功

然后就没有然后了，产生了死锁，我们发现因为对象的调用关系，产生了互相锁住资源的问题。

4.2.1 解决方案

根据传入对象的hashCode硬性确定加锁顺序，消除可变性，避免死锁。

package com.test.thread.deadlock;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * 动态顺序型死锁解决方案
 */
public class TransferMoneyDeadlock {
    /**
     * 监视器，第三把锁，为了方式HASH冲突
     */
    private static Object lock = new Object();

    /**
     * 我们经过上一次得失败，明白了不能依赖参数名称简单的确定锁的顺序，因为参数是
     * 具有动态性的，所以，我们改变一下思路，直接根据传入对象的hashCode()大小来
     * 对锁定顺序进行排序(这里要明白的是如何排序不是关键，有序才是关键)。
     *
     * @param from
     * @param to
     * @param amount
     */
    public static void transfer(Account from, Account to, int amount) {
        /**
         * 这里需要说明一下为什么不使用HashCode()因为HashCode方法可以被重写，
         * 所以，我们无法简单的使用父类或者当前类提供的简单的hashCode()方法，
         * 所以，我们就使用系统提供的identityHashCode()方法，该方法保证无论
         * 你是否重写了hashCode方法，都会在虚拟机层面上调用一个名为JVM_IHashCode
         * 的方法来根据对象的存储地址来获取该对象的hashCode(),HashCode如果不重写
         * 的话，其实也是通过这个虚拟机层面上的方法，JVM_IHashCode()方法实现的
         * 这个方法是用C++实现的。
         */
        int fromHash = System.identityHashCode(from);
        int toHash = System.identityHashCode(to);
        if (fromHash > toHash) {
            //先锁住转账的账户
            synchronized (from) {
                System.out.println("线程【" + Thread.currentThread().getId() + "】获取【" + from.name + "】账户锁成功");
                //休眠增加死锁产生的概率
                sleep(100);
                //在锁住目标账户
                synchronized (to) {
                    System.out.println("线程【" + Thread.currentThread().getId() + "】获取【" + to.name + "】账户锁成功");
                    if (from.balance < amount) {
                        System.out.println("余额不足");
                        return;
                    } else {
                        from.debit(amount);
                        to.credit(amount);
                        System.out.println("线程【" + Thread.currentThread().getId() + "】从【" + from.name + "】账户转账到【" + to.name + "】账户【" + amount + "】元钱成功");
                    }
                }
            }
        } else if (fromHash < toHash) {
            //先锁住转账的账户
            synchronized (to) {
                System.out.println("线程【" + Thread.currentThread().getId() + "】获取【" + from.name + "】账户锁成功");
                //休眠增加死锁产生的概率
                sleep(100);
                //在锁住目标账户
                synchronized (from) {
                    System.out.println("线程【" + Thread.currentThread().getId() + "】获取【" + to.name + "】账户锁成功");
                    if (from.balance < amount) {
                        System.out.println("余额不足");
                        return;
                    } else {
                        from.debit(amount);
                        to.credit(amount);
                        System.out.println("线程【" + Thread.currentThread().getId() + "】从【" + from.name + "】账户转账到【" + to.name + "】账户【" + amount + "】元钱成功");
                    }
                }
            }
        } else {
            //如果传入对象的Hash值相同，那就加让加第三层锁
            synchronized (lock) {
                //先锁住转账的账户
                synchronized (from) {
                    System.out.println("线程【" + Thread.currentThread().getId() + "】获取【" + from.name + "】账户锁成功");
                    //休眠增加死锁产生的概率
                    sleep(100);
                    //在锁住目标账户
                    synchronized (to) {
                        System.out.println("线程【" + Thread.currentThread().getId() + "】获取【" + to.name + "】账户锁成功");
                        if (from.balance < amount) {
                            System.out.println("余额不足");
                            return;
                        } else {
                            from.debit(amount);
                            to.credit(amount);
                            System.out.println("线程【" + Thread.currentThread().getId() + "】从【" + from.name + "】账户转账到【" + to.name + "】账户【" + amount + "】元钱成功");
                        }
                    }
                }
            }
        }

    }

    private static class Account {
        String name;
        int balance;

        public Account(String name, int balance) {
            this.name = name;
            this.balance = balance;
        }

        void debit(int amount) {
            this.balance = balance - amount;
        }

        void credit(int amount) {
            this.balance = balance + amount;
        }
    }


    /**
     * 休眠
     *
     * @param time
     */
    private static void sleep(long time) {
        try {
            Thread.sleep(time);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        //创建线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        //创建账户A
        Account A = new Account("A", 100);
        //创建账户B
        Account B = new Account("B", 200);
        //A -> B 的转账
        executorService.execute(() -> transfer(A, B, 5));
        //B -> A 的转账
        executorService.execute(() -> transfer(B, A, 10));
        executorService.shutdown();
    }
}

输出

线程【12】获取【A】账户锁成功
线程【12】获取【B】账户锁成功
线程【12】从【A】账户转账到【B】账户【5】元钱成功
线程【13】获取【B】账户锁成功
线程【13】获取【A】账户锁成功
线程【13】从【B】账户转账到【A】账户【10】元钱成功

4.3 协作对象间的死锁

在协作对象之间可能存在多个锁获取的情况，但是这些获取多个锁的操作并不像在LeftRightDeadLock或transferMoney中那么明显，这两个锁并不一定必须在同一个方法中被获取。如果在持有锁时调用某个外部方法，那么这就需要警惕死锁问题，因为在这个外部方法中可能会获取其他锁，或者阻塞时间过长，导致其他线程无法及时获取当前被持有的锁。

上述两例中，在同一个方法中获取两个锁。实际上，锁并不一定在同一方法中被获取。经典案例，如出租车调度系统。

/**
 * 协作对象间的死锁
 */
public class CoordinateDeadlock {
    /**
     * Taxi 类
     */
    static class Taxi {
        private String location;
        private String destination;
        private Dispatcher dispatcher;

        public Taxi(Dispatcher dispatcher, String destination) {
            this.dispatcher = dispatcher;
            this.destination = destination;
        }

        public synchronized String getLocation() {
            return this.location;
        }

        /**
         * 该方法先获取Taxi的this对象锁后，然后调用Dispatcher类的方法时，又需要获取
         * Dispatcher类的this方法。
         *
         * @param location
         */
        public synchronized void setLocation(String location) {
            this.location = location;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " taxi set location:" + location);
            if (this.location.equals(destination)) {
                dispatcher.notifyAvailable(this);
            }
        }
    }

    /**
     * 调度类
     */
    static class Dispatcher {
        private Set<Taxi> taxis;
        private Set<Taxi> availableTaxis;

        public Dispatcher() {
            taxis = new HashSet<Taxi>();
            availableTaxis = new HashSet<Taxi>();
        }

        public synchronized void notifyAvailable(Taxi taxi) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " notifyAvailable.");
            availableTaxis.add(taxi);
        }

        /**
         * 打印当前位置：有死锁风险
         * 持有当前锁的时候，同时调用Taxi的getLocation这个外部方法；而这个外部方法也是需要加锁的
         * reportLocation的锁的顺序与Taxi的setLocation锁的顺序完全相反
         */
        public synchronized void reportLocation() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " report location.");
            for (Taxi t : taxis) {
                t.getLocation();
            }
        }

        public void addTaxi(Taxi taxi) {
            taxis.add(taxi);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        final Dispatcher dispatcher = new Dispatcher();
        final Taxi taxi = new Taxi(dispatcher, "软件园");
        dispatcher.addTaxi(taxi);
        //先获取dispatcher锁，然后是taxi的锁
        executorService.execute(() -> dispatcher.reportLocation());
        //先获取taxi锁，然后是dispatcher的锁
        executorService.execute(() -> taxi.setLocation("软件园"));
        executorService.shutdown();
    }
}

4.3.1 解决方案

使用开放调用，开放调用指调用该方法不需要持有锁。

开放调用，是指在调用某个方法时不需要持有锁。开放调用可以避免死锁，这种代码更容易编写。上述调度算法完全可以修改为开发调用，修改同步代码块的范围，使其仅用于保护那些涉及共享状态的操作，避免在同步代码块中执行方法调用。修改Dispatcher的reportLocation方法：

4.3.1.1 setLocation方法

/**
    * 开放调用，不持有锁期间进行外部方法调用
    *
    * @param location
    */
   public void setLocation(String location) {
       synchronized (this) {
           this.location = location;
       }
       System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " taxi set location:" + location);
       if (this.location.equals(destination)) {
           dispatcher.notifyAvailable(this);
       }
   }

4.3.1.2 reportLocation 方法

/**
       * 同步块只包含对共享状态的操作代码
       */
      public synchronized void reportLocation() {
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " report location.");
          Set<Taxi> taxisCopy;
          synchronized (this) {
              taxisCopy = new HashSet<Taxi>(taxis);
          }
          for (Taxi t : taxisCopy) {
              t.getLocation();
          }
      }