在面试过程中,死锁也是高频的考点,因为如果线上环境真多发生了死锁,那真的出大事了。 这次,我们就来系统地聊聊死锁的问题。
死锁的概念在多线程编程中,我们为了防止多线程竞争共享资源而导致数据错乱,都会在操作共享资源之前加上互斥锁,只有成功获得到锁的线程,才能操作共享资源,获取不到锁的线程就只能等待,直到锁被释放。 那么,当两个线程为了保护两个不同的共享资源而使用了两个互斥锁,那么这两个互斥锁应用不当的时候,可能会造成两个线程都在等待对方释放锁,在没有外力的作用下,这些线程会一直相互等待,就没办法继续运行,这种情况就是发生了死锁。 举个例子,小林拿了小美房间的钥匙,而小林在自己的房间里,小美拿了小林房间的钥匙,而小美也在自己的房间里。如果小林要从自己的房间里出去,必须拿到小美手中的钥匙,但是小美要出去,又必须拿到小林手中的钥匙,这就形成了死锁。 死锁只有同时满足以下四个条件才会发生:
互斥条件互斥条件是指多个线程不能同时使用同一个资源。 比如下图,如果线程 A 已经持有的资源,不能再同时被线程 B 持有,如果线程 B 请求获取线程 A 已经占用的资源,那线程 B 只能等待,直到线程 A 释放了资源。 持有并等待条件持有并等待条件是指,当线程 A 已经持有了资源 1,又想申请资源 2,而资源 2 已经被线程 C 持有了,所以线程 A 就会处于等待状态,但是线程 A 在等待资源 2 的同时并不会释放自己已经持有的资源 1。 不可剥夺条件不可剥夺条件是指,当线程已经持有了资源 ,在自己使用完之前不能被其他线程获取,线程 B 如果也想使用此资源,则只能在线程 A 使用完并释放后才能获取。 环路等待条件环路等待条件指都是,在死锁发生的时候,两个线程获取资源的顺序构成了环形链。 比如,线程 A 已经持有资源 2,而想请求资源 1, 线程 B 已经获取了资源 1,而想请求资源 2,这就形成资源请求等待的环形图。 模拟死锁问题的产生Talk is cheap. Show me the code. 下面,我们用代码来模拟死锁问题的产生。 首先,我们先创建 2 个线程,分别为线程 A 和 线程 B,然后有两个互斥锁,分别是 mutex_A 和 mutex_B,代码如下: 接下来,我们看下线程 A 函数做了什么。 可以看到,线程 A 函数的过程:
然后,我们看看线程 B。 可以看到,线程 B 函数的过程:
然后,我们运行这个程序,运行结果如下: 可以看到线程 B 在等待互斥锁 A 的释放,线程 A 在等待互斥锁 B 的释放,双方都在等待对方资源的释放,很明显,产生了死锁问题。 利用工具排查死锁问题如果你想排查你的 Java 程序是否死锁,则可以使用 由于小林的死锁代码例子是 C 写的,在 Linux 下,我们可以使用 pstack 命令可以显示每个线程的栈跟踪信息(函数调用过程),它的使用方式也很简单,只需要 那么,在定位死锁问题时,我们可以多次执行 pstack 命令查看线程的函数调用过程,多次对比结果,确认哪几个线程一直没有变化,且是因为在等待锁,那么大概率是由于死锁问题导致的。 我用 pstack 输出了我前面模拟死锁问题的进程的所有线程的情况,我多次执行命令后,其结果都一样,如下: 可以看到,Thread 2 和 Thread 3 一直阻塞获取锁(pthread_mutex_lock)的过程,而且 pstack 多次输出信息都没有变化,那么可能大概率发生了死锁。 但是,还不能够确认这两个线程是在互相等待对方的锁的释放,因为我们看不到它们是等在哪个锁对象,于是我们可以使用 gdb 工具进一步确认。 整个 gdb 调试过程,如下: 我来解释下,上面的调试过程:
因为线程 B 在等待线程 A 所持有的 mutex_A, 而同时线程 A 又在等待线程 B 所拥有的mutex_B, 所以可以断定该程序发生了死锁。 避免死锁问题的发生前面我们提到,产生死锁的四个必要条件是:互斥条件、持有并等待条件、不可剥夺条件、环路等待条件。 那么避免死锁问题就只需要破环其中一个条件就可以,最常见的并且可行的就是使用资源有序分配法,来破环环路等待条件。 那什么是资源有序分配法呢? 线程 A 和 线程 B 获取资源的顺序要一样,当线程 A 是先尝试获取资源 A,然后尝试获取资源 B 的时候,线程 B 同样也是先尝试获取资源 A,然后尝试获取资源 B。也就是说,线程 A 和 线程 B 总是以相同的顺序申请自己想要的资源。 我们使用资源有序分配法的方式来修改前面发生死锁的代码,我们可以不改动线程 A 的代码。 我们先要清楚线程 A 获取资源的顺序,它是先获取互斥锁 A,然后获取互斥锁 B。 所以我们只需将线程 B 改成以相同顺序的获取资源,就可以打破死锁了。 线程 B 函数改进后的代码如下: 执行结果如下,可以看,没有发生死锁。 总结简单来说,死锁问题的产生是由两个或者以上线程并行执行的时候,争夺资源而互相等待造成的。 死锁只有同时满足互斥、持有并等待、不可剥夺、环路等待这四个条件的时候才会发生。 所以要避免死锁问题,就是要破坏其中一个条件即可,最常用的方法就是使用资源有序分配法来破坏环路等待条件。 |
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