多线程之死锁就是这么简单

多线程之死锁就是这么简单

技术杂谈小彩虹2021-08-24 6:55:31220A+A-

前言

只有光头才能变强

回顾前面:

本篇主要是讲解死锁,这是我在多线程的最后一篇了。主要将多线程的基础过一遍,以后有机会再继续深入

死锁是在多线程中也是比较重要的知识点了!

那么接下来就开始吧,如果文章有错误的地方请大家多多包涵,不吝在评论区指正哦~

声明:本文使用JDK1.8

一、死锁讲解

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

  • 这是我们非常不愿意看到的一种现象,我们要尽可能避免死锁的情况发生!

造成死锁的原因可以概括成三句话:

  • 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

1.1锁顺序死锁

首先我们来看一下最简单的死锁(锁顺序死锁)是怎么样发生的:


public class LeftRightDeadlock {
    private final Object left = new Object();
    private final Object right = new Object();

    public void leftRight() {
		// 得到left锁
        synchronized (left) {
			// 得到right锁
            synchronized (right) {
                doSomething();
            }
        }
    }

    public void rightLeft() {
		// 得到right锁
        synchronized (right) {
			// 得到left锁
            synchronized (left) {
                doSomethingElse();
            }
        }
    }
}

我们的线程是交错执行的,那么就很有可能出现以下的情况:

  • 线程A调用leftRight()方法,得到left锁
  • 同时线程B调用rightLeft()方法,得到right锁
  • 线程A和线程B都继续执行,此时线程A需要right锁才能继续往下执行。此时线程B需要left锁才能继续往下执行。
  • 但是:线程A的left锁并没有释放,线程B的right锁也没有释放
  • 所以他们都只能等待,而这种等待是无期限的-->永久等待-->死锁

1.2动态锁顺序死锁

我们看一下下面的例子,你认为会发生死锁吗?


    // 转账
    public static void transferMoney(Account fromAccount, Account toAccount, DollarAmount amount) throws InsufficientFundsException {

        // 锁定汇账账户
        synchronized (fromAccount) {
            // 锁定来账账户
            synchronized (toAccount) {

                // 判余额是否大于0
                if (fromAccount.getBalance().compareTo(amount) < 0) {
                    throw new InsufficientFundsException();
                } else {

                    // 汇账账户减钱
                    fromAccount.debit(amount);

                    // 来账账户增钱
                    toAccount.credit(amount);
                }
            }
        }
    }

上面的代码看起来是没有问题的:锁定两个账户来判断余额是否充足才进行转账!

但是,同样有可能会发生死锁

  • 如果两个线程同时调用transferMoney()
  • 线程A从X账户向Y账户转账
  • 线程B从账户Y向账户X转账
  • 那么就会发生死锁。

A:transferMoney(myAccount,yourAccount,10);


B:transferMoney(yourAccount,myAccount,20);

1.3协作对象之间发生死锁

我们来看一下下面的例子:


public class CooperatingDeadlock {
    // Warning: deadlock-prone!
    class Taxi {
        @GuardedBy("this") private Point location, destination;
        private final Dispatcher dispatcher;

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

        public synchronized Point getLocation() {
            return location;
        }

        // setLocation 需要Taxi内置锁
        public synchronized void setLocation(Point location) {
            this.location = location;
            if (location.equals(destination))
                // 调用notifyAvailable()需要Dispatcher内置锁
                dispatcher.notifyAvailable(this);
        }

        public synchronized Point getDestination() {
            return destination;
        }

        public synchronized void setDestination(Point destination) {
            this.destination = destination;
        }
    }

    class Dispatcher {
        @GuardedBy("this") private final Set<Taxi> taxis;
        @GuardedBy("this") private final Set<Taxi> availableTaxis;

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

        public synchronized void notifyAvailable(Taxi taxi) {
            availableTaxis.add(taxi);
        }

        // 调用getImage()需要Dispatcher内置锁
        public synchronized Image getImage() {
            Image image = new Image();
            for (Taxi t : taxis)
                // 调用getLocation()需要Taxi内置锁
                image.drawMarker(t.getLocation());
            return image;
        }
    }

    class Image {
        public void drawMarker(Point p) {
        }
    }
}

上面的getImage()setLocation(Point location)都需要获取两个锁的

  • 并且在操作途中是没有释放锁的

这就是隐式获取两个锁(对象之间协作)..

这种方式也很容易就造成死锁.....

二、避免死锁的方法

避免死锁可以概括成三种方法:

  • 固定加锁的顺序(针对锁顺序死锁)
  • 开放调用(针对对象之间协作造成的死锁)
  • 使用定时锁-->tryLock()
    • 如果等待获取锁时间超时,则抛出异常而不是一直等待

2.1固定锁顺序避免死锁

上面transferMoney()发生死锁的原因是因为加锁顺序不一致而出现的~

  • 正如书上所说的:如果所有线程以固定的顺序来获得锁,那么程序中就不会出现锁顺序死锁问题!

那么上面的例子我们就可以改造成这样子:


public class InduceLockOrder {

    // 额外的锁、避免两个对象hash值相等的情况(即使很少)
    private static final Object tieLock = new Object();

    public void transferMoney(final Account fromAcct, final Account toAcct, final DollarAmount amount) throws InsufficientFundsException {
        class Helper {
            public void transfer() throws InsufficientFundsException {
                if (fromAcct.getBalance().compareTo(amount) < 0)
                    throw new InsufficientFundsException();
                else {
                    fromAcct.debit(amount);
                    toAcct.credit(amount);
                }
            }
        }
        // 得到锁的hash值
        int fromHash = System.identityHashCode(fromAcct);
        int toHash = System.identityHashCode(toAcct);

        // 根据hash值来上锁
        if (fromHash < toHash) {
            synchronized (fromAcct) {
                synchronized (toAcct) {
                    new Helper().transfer();
                }
            }

        } else if (fromHash > toHash) {// 根据hash值来上锁
            synchronized (toAcct) {
                synchronized (fromAcct) {
                    new Helper().transfer();
                }
            }
        } else {// 额外的锁、避免两个对象hash值相等的情况(即使很少)
            synchronized (tieLock) {
                synchronized (fromAcct) {
                    synchronized (toAcct) {
                        new Helper().transfer();
                    }
                }
            }
        }
    }
}

得到对应的hash值来固定加锁的顺序,这样我们就不会发生死锁的问题了!

2.2开放调用避免死锁

在协作对象之间发生死锁的例子中,主要是因为在调用某个方法时就需要持有锁,并且在方法内部也调用了其他带锁的方法!

  • 如果在调用某个方法时不需要持有锁,那么这种调用被称为开放调用

我们可以这样来改造:

  • 同步代码块最好仅被用于保护那些涉及共享状态的操作


class CooperatingNoDeadlock {
    @ThreadSafe
    class Taxi {
        @GuardedBy("this") private Point location, destination;
        private final Dispatcher dispatcher;

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

        public synchronized Point getLocation() {
            return location;
        }

        public synchronized void setLocation(Point location) {
            boolean reachedDestination;

            // 加Taxi内置锁
            synchronized (this) {
                this.location = location;
                reachedDestination = location.equals(destination);
            }
            // 执行同步代码块后完毕,释放锁



            if (reachedDestination)
                // 加Dispatcher内置锁
                dispatcher.notifyAvailable(this);
        }

        public synchronized Point getDestination() {
            return destination;
        }

        public synchronized void setDestination(Point destination) {
            this.destination = destination;
        }
    }

    @ThreadSafe
    class Dispatcher {
        @GuardedBy("this") private final Set<Taxi> taxis;
        @GuardedBy("this") private final Set<Taxi> availableTaxis;

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

        public synchronized void notifyAvailable(Taxi taxi) {
            availableTaxis.add(taxi);
        }

        public Image getImage() {
            Set<Taxi> copy;

            // Dispatcher内置锁
            synchronized (this) {
                copy = new HashSet<Taxi>(taxis);
            }
            // 执行同步代码块后完毕,释放锁

            Image image = new Image();
            for (Taxi t : copy)
                // 加Taix内置锁
                image.drawMarker(t.getLocation());
            return image;
        }
    }

    class Image {
        public void drawMarker(Point p) {
        }
    }

}

使用开放调用是非常好的一种方式,应该尽量使用它~

2.3使用定时锁

使用显式Lock锁,在获取锁时使用tryLock()方法。当等待超过时限的时候,tryLock()不会一直等待,而是返回错误信息。

使用tryLock()能够有效避免死锁问题~~

2.4死锁检测

虽然造成死锁的原因是因为我们设计得不够好,但是可能写代码的时候不知道哪里发生了死锁。

JDK提供了两种方式来给我们检测:

  • JconsoleJDK自带的图形化界面工具,使用JDK给我们的的工具JConsole
  • Jstack是JDK自带的命令行工具,主要用于线程Dump分析。

具体可参考:

三、总结

发生死锁的原因主要由于:

  • 线程之间交错执行
    • 解决:以固定的顺序加锁
  • 执行某方法时就需要持有锁,且不释放
    • 解决:缩减同步代码块范围,最好仅操作共享变量时才加锁
  • 永久等待
    • 解决:使用tryLock()定时锁,超过时限则返回错误信息

在操作系统层面上看待死锁问题(这是我之前做的笔记、很浅显):

参考资料:

  • 《Java核心技术卷一》
  • 《Java并发编程实战》
  • 《计算机操作系统 汤小丹》

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