多线程之死锁就是这么简单

Posted 2020-11-03 Java3y

前言

只有光头才能变强

回顾前面：

• ThreadLocal就是这么简单
• 多线程三分钟就可以入个门了！
• 多线程基础必要知识点！看了学习多线程事半功倍
• Java锁机制了解一下
• AQS简简单单过一遍
• Lock锁子类了解一下
• 线程池你真不来了解一下吗？

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。死锁会让程序一直卡住，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()和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：

• https://www.cnblogs.com/flyingeagle/articles/6853167.html

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)：

• 操作系统第五篇【死锁】

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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