数据共享之死锁

Posted 2020-09-18 lxjshuju

在使用相互排斥量时可能会造成死锁。造成死锁。必须满足四个条件：

1、相互排斥使用（资源独占） 
 一个资源每次仅仅能给一个进程使用 
2、不可强占（不可剥夺） 
    资源申请者不能强行的从资源占有者手中夺取资源。资源仅仅能由占有者自愿释放 
3、请求和保持（部分分配，占有申请） 
一个进程在申请新的资源的同一时候保持对原有资源的占有（仅仅有这样才是动态申请，动态分配） 
4、循环等待 
存在一个进程等待队列 
    {P1 , P2 , … , Pn}, 
    当中P1等待P2占有的资源。P2等待P3占有的资源，…。Pn等待P1占有的资源，形成一个进程等待环路

在使用相互排斥量时。有2中情况easy发生死锁。

1、两个（或多个线程）各自持有一个相互排斥量。且还须要一个（或多个）相互排斥量。而这个相互排斥量被对方已经上锁。

一个最简单情况：线程A和线程B。都须要两个锁，可是每一个线程却持有一个。

另一种情况就是加锁顺序不一致。

比如要加两个锁m1和m2。一个函数先对m1加锁再对m2加锁，另一个函数相反，这就easy发生死锁。

一个样例：https://github.com/KangRoger/CppConcurrencyInAction/blob/master/DeadLocktest1.cpp

#include<thread>
#include<mutex>
#include<unistd.h>
class Test
{
private:
	std::mutex m1;
	std::mutex m2;
public:
	void fun1()
	{
		std::lock_guard<std::mutex> guard1(m1);
		//休眠,使死锁更easy发生
		sleep(1);
		std::lock_guard<std::mutex> guard2(m2);
	}
	void fun2()
	{
		std::lock_guard<std::mutex> guard1(m2);
		//休眠,使死锁更easy发生
		sleep(1);
		std::lock_guard<std::mutex> guard2(m1);
	}

};
void fun1(Test *p)
{
	p->fun1();
}
void fun2(Test *p)
{
	p->fun2();
}
int main()
{
	Test t;
	std::thread A(fun1, &t);
	std::thread B(fun2, &t);
	A.join();
	B.join();
	return 0;
}

 

2、对同一个相互排斥量两个加锁（相互排斥量是非递归）

一个样例：https://github.com/KangRoger/CppConcurrencyInAction/blob/master/DeadLocktest2.cpp

#include<thread>
#include<mutex>
#include<iostream>
class Test
{
private:
	std::mutex m1;
public:
	void fun1()
	{
		std::lock_guard<std::mutex> guard1(m1);
		fun2();
		
	}
	void fun2()
	{
		std::lock_guard<std::mutex> guard1(m1);
	}

};
void fun(Test *p)
{
	p->fun1();
	std::cout << "fun1" << std::endl;
}

int main()
{
	Test t;
	std::thread A(fun, &t);
	A.join();
	return 0;
}

 

在使用两个（以上）相互排斥量时。确保加锁顺序同样就不会出现死锁。

有时候确定加锁顺序也会导致死锁。比如。两个锁来保护一个类的两个实例。一个函数实现交换这两个实例（函数第一个參数先加锁，第二个參数后加锁），当交换的两个实例是同一个实例时也会发生死锁。

在C++标准库中，有方法来解决问题：使用std::lock函数。它能一次性格两个以上相互排斥量上锁。而且确保不会发生死锁。

#include<mutex>
class some_big_object
{
};
void swap(some_big_object& lhs, some_big_object& ths);
class X
{
private:
	some_big_object some_detail;
	std::mutex m;
public:
	X(some_big_object const& sd) :some_detail(sd){}
	friend void swap(X& lhs, X& rhs)
	{
		if (&lhs == rhs)
			return;
		std::lock(lhs.m, rhs.m);//同一时候给两个相互排斥量上锁
		//以下仅仅是转移相互排斥量控制权。并没有给相互排斥量上锁
		//为了确保超出作用域是，lock_guard给相互排斥量解锁
		std::lock_guard<std::mutex> lock_a(lhs.m, std::adopt_lock);
		std::lock_guard<std::mutex> lock_b(rhs.m, std::adopt_lock);
		swap(lhs.some_detail, rhs.some_detail);
	}
};

当std::lock给多个相互排斥量加锁时，假设当中一个加锁失败，那么会抛出异常，而且已经加锁的相互排斥量也会自己主动释放锁。

在《Linux多线程server编程》中看到过一个方法：给多个相互排斥量加锁时。依照相互排斥量地址高低来加锁，这样就确保了加锁顺序。

避免死锁的方法

死锁不不过在使用锁的时候发生（虽然这是最常见的），创建两个线程。在每一个线程中调用对方的join函数，这时候也会造成死锁。两个线程都在等待对方先结束。避免死锁有一个最简单的原则：假设这个线程可能等待你，那么你就不要等待这个线程。

1、避免给一个锁嵌套上锁

在持有一个锁的时候，不要再给这个锁上锁。

假设使用多个锁，使用std::lock。

2、在持有锁时。不要调用别人提供的函数

由于你不清楚别人的代码怎么实现的。不知道它是不是在使用锁。

3、给多个锁上锁时，固定顺序。

假设在给多个所上锁。而且无法使用std::lock，最好的做法就是在每个线程中。都依照相同的顺序。

4、分层次来使用锁

把程序分成几个层次。

区分每一个层次中使用的锁，当一个线程已经持有更低层次的锁时，不同意使用高层次的锁。能够在程序执行时给不同的锁加上层次号，记录每一个线程持有的锁。

#include <stdexcept>
#include<thread>
#include<mutex>

class hierarchical_mutex//实现mutex的三个接口lock,unlock,trylock
{
	std::mutex internal_mutex;
	unsigned long const hierarchy_value;//记录mutex所在层次
	unsigned long previous_hierarchy_value;//记录上一个mutex的层次，解锁时恢复线程的层次
	//thread_local每个线程都有自己的该全局变量的实例（instance）
	static thread_local unsigned long this_thread_hierarchy_value;//线程所在层次，是thread_local

	void check_for_hierarchy_violation()
	{	//线程所在层次要大于当前的mutex的层次，否则抛出异常
		if (this_thread_hierarchy_value <= hierarchy_value)
		{
			throw std::logic_error("mutex hierarchy violated");
		}
	}
	void update_hierarchy_value()
	{
		previous_hierarchy_value = this_thread_hierarchy_value;
		this_thread_hierarchy_value = hierarchy_value;
	}
public:
	explicit hierarchical_mutex(unsigned long value) :
		hierarchical_mutex(value), previous_hierarchy_value(0){}
	void lock()
	{
		//先检查、再上锁、再更新层次
		check_for_hierarchy_violation();
		internal_mutex.lock();
		update_hierarchy_value();
	}
	void unlock()
	{
		//更新层次、再解锁
		this_thread_hierarchy_value = previous_hierarchy_value;
		internal_mutex.unlock();
	}
	bool try_lock()
	{
		check_for_hierarchy_violation();
		if (!internal_mutex.try_lock())
			return false;
		update_hierarchy_value();
		return true;
	}
};
thread_local unsigned long hierarchical_mutex::this_thread_hierarchy_value(ULLONG_MAX);

使用std::unique_lock灵活上锁

std::unique_lock比std::lock_guard更加灵活，它能够先占有在一个相互排斥量的全部权。再给它上锁。lock_guard在占有控制权的同一时候就上锁了。

class X
{
private:
	some_big_object some_detail;
	std::mutex m;
public:
	X(some_big_object const& sd) :some_detail(sd){}
	friend void swap(X& lhs, X& rhs)
	{
		if (&rhs == &lhs)
			return;
		//以下是先占有锁，參数std::defer_lock表明先占有锁
		std::unique_lock<std::mutex> lock_a(lhs.m, std::defer_lock);
		std::unique_lock<std::mutex> lock_a(rhs.m, std::defer_lock);
		std::lock(lock_a, lock_b);
		swap(lhs.some_detail, rhs.some_detail);
	}
};

 转移锁的控制权

std::unique_lock的实例没有占有锁的控制权。通过移动实例能够实例之间传递锁的控制权。有些情况下。移动是原子的，比如std::move()。

std::unique_lock
能够转移(moveable)。可是不能够拷贝。
一种使用方法是在一个函数给一个相互排斥量上锁，然后把锁的控制权交给还有一个函数。

std::unique_lock<std::mutex> get_lock()//上锁。然后转移锁的控制权
{
	extern std::mutex some_mutex;//引用外部相互排斥量
	std::unique_lock<std::mutex> lk(some_mutex);
	prepare_data();
	return lk;
}
void process_data()
{
	std::unique_lock<std::mutex> lk(get_lock());
	do_something();
}

以适当的粒度加锁

在须要使用锁的地方使用锁。尽量减小锁的有效区域。

在涉及到I/O操作的函数中，尽量不要使用锁。由于I/O操作非常耗时。

std::unique_lock()能够在不使用共享数据时解锁，在须要使用时再上锁。

void get_and_process_data()
{
	std::unique_lock<std::mutex> my_lock(the_mutex);//上锁
	some_class data_to_process=get_next_data_chunk();
	my_lock.unlock();//解锁
	result_type result=process(data_to_process);
	my_lock.lock();
	write_result(data_to_process,result);
}

在使用锁保护的数据时，假设数据量很小。拷贝它的时间比上锁时间还小，那能够考虑拷贝。比如比較两个int类型数据，拷贝它们比用锁保护它们时间更短。

class Y
{
	private:
		int some_detail;
		mutable std::mutex m;
		
		int get_detail() const
		{
			std::lock_guard<std::mutex> lock_a(m);
			return some_detail;
		}
	public:
		Y(int sd):some_detail(sd){}
		friend bool operator==(Y const& lhs, Y const& rhs)
		{
			if(&lhs==&rhs)
				return true;
			int const lhs_value=lhs.get_detail();
			int const rhs_value=rhs.get_detail();
			return lhs_value==rhs_value;
		}
};