如何避免死鎖？我們有套路可循

發表於2019-10-30

寫在前面

上一篇文章共享資源那麼多，如何用一把鎖保護多個資源？ 文章我們談到了銀行轉賬經典案例，其中有兩個問題:

  1. 單純的用 synchronized 方法起不到保護作用(不能保護 target)
  2. 用 Account.class 鎖方案，鎖的粒度又過大，導致涉及到賬戶的所有操作(取款，轉賬，修改密碼等)都會變成序列操作

如何解決這兩個問題呢？我們們先換好衣服穿越回到過去尋找一下錢莊，一起透過現象看本質，dengdeng deng.......

來到錢莊，告訴櫃員你要給鐵蛋兒轉 100 銅錢，這時櫃員轉身在牆上尋找你和鐵蛋兒的賬本，此時櫃員可能面臨三種情況:

  1. 理想狀態: 你和鐵蛋兒的賬本都是空閒狀態，一起拿回來，在你的賬本上減 100 銅錢，在鐵蛋兒賬本上加 100 銅錢，櫃員轉身將賬本掛回到牆上，完成你的業務
  2. 尷尬狀態: 你的賬本在，鐵蛋兒的賬本被其他櫃員拿出去給別人轉賬，你要等待其他櫃員把鐵蛋兒的賬本歸還
  3. 抓狂狀態: 你的賬本不在，鐵蛋兒的賬本也不在，你只能等待兩個賬本都歸還

放慢櫃員的取賬本操作，他一定是先拿到你的賬本，然後再去拿鐵蛋兒的賬本，兩個賬本都拿到(理想狀態)之後才能完成轉賬，用程式模型來描述一下這個拿取賬本的過程:

我們繼續用程式程式碼描述一下上面這個模型:

class Account {
  private int balance;
  // 轉賬
  void transfer(Account target, int amt){
    // 鎖定轉出賬戶
    synchronized(this) {              
      // 鎖定轉入賬戶
      synchronized(target) {           
        if (this.balance > amt) {
          this.balance -= amt;
          target.balance += amt;
        }
      }
    }
  } 
}

這個解決方案看起來很完美，解決了文章開頭說的兩個問題，但真是這樣嗎？

我們剛剛說過的理想狀態是錢莊只有一個櫃員(既單執行緒)。隨著錢莊規模變大，牆上早已掛了非常多個賬本，錢莊為了應對繁忙的業務，開通了多個視窗，此時有多個櫃員(多執行緒)處理錢莊業務。

櫃員 1 正在辦理給鐵蛋兒轉賬的業務，但只拿到了你的賬本；櫃員 2 正在辦理鐵蛋兒給你轉賬的業務，但只拿到了鐵蛋兒的賬本，此時雙方出現了尷尬狀態，兩位櫃員都在等待對方歸還賬本為當前客戶辦理轉賬業務。

現實中櫃員會溝通，喊出一嗓子 老鐵，鐵蛋兒的賬本先給我用一下，用完還給你，但程式卻沒這麼智慧，synchronized 內建鎖非常執著，它會告訴你「死等」的道理，最終出現死鎖

Java 有了 synchronized 內建鎖，還發明瞭顯示鎖 Lock，是不是就為了治一治 synchronized 「死等」的執著呢？?

解決方案

如何解決上面的問題呢？正所謂知己知彼方能百戰不殆，我們要先了解什麼情況會發生死鎖，才能知道如何避免死鎖，很幸運我們可以站在巨人的肩膀上看待問題

Coffman 總結出了四個條件說明可以發生死鎖的情形:

Coffman 條件

互斥條件：指程式對所分配到的資源進行排它性使用，即在一段時間內某資源只由一個程式佔用。如果此時還有其它程式請求資源，則請求者只能等待，直至佔有資源的程式用畢釋放。

請求和保持條件：指程式已經保持至少一個資源，但又提出了新的資源請求，而該資源已被其它程式佔有，此時請求程式阻塞，但又對自己已獲得的其它資源保持不放。

不可剝奪條件：指程式已獲得的資源，在未使用完之前，不能被剝奪，只能在使用完時由自己釋放。

環路等待條件：指在發生死鎖時，必然存在一個程式——資源的環形鏈，即程式集合{P1，P2，···，Pn}中的 P1 正在等待一個 P2 佔用的資源；P2 正在等待 P3 佔用的資源，……，Pn 正在等待已被 P0 佔用的資源。

這幾個條件很好理解，其中「互斥條件」是併發程式設計的根基，這個條件沒辦法改變。但其他三個條件都有改變的可能，也就是說破壞另外三個條件就不會出現上面說到的死鎖問題

破壞請求和保持條件

每個櫃員都可以取放賬本，很容易出現互相等待的情況。要想破壞請求和保持條件，就要一次性拿到所有資源。

作為程式猿你一定聽過這句話:

任何軟體工程遇到的問題都可以通過增加一箇中間層來解決

我們不允許櫃員都可以取放賬本，賬本要由單獨的賬本管理員來管理

也就是說賬本管理員拿取賬本是臨界區，如果只拿到其中之一的賬本，那麼不會給櫃員，而是等待櫃員下一次詢問是否兩個賬本都在

//賬本管理員
public class AccountBookManager {
    synchronized boolean getAllRequiredAccountBook( Object from, Object to){
        if(拿到所有賬本){
            return true;
        } else{
            return false;
        }
    }
    // 歸還資源
    synchronized void releaseObtainedAccountBook(Object from, Object to){
        歸還獲取到的賬本
    }
}


public class Account {
    //單例的賬本管理員
    private AccountBookManager accountBookManager;

    public void transfer(Account target, int amt){
        // 一次性申請轉出賬戶和轉入賬戶，直到成功
        while(!accountBookManager.getAllRequiredAccountBook(this, target)){
            return;
        }

        try{
            // 鎖定轉出賬戶
            synchronized(this){
                // 鎖定轉入賬戶
                synchronized(target){
                    if (this.balance > amt){
                        this.balance -= amt;
                        target.balance += amt;
                    }
                }
            }
        } finally {
            accountBookManager.releaseObtainedAccountBook(this, target);
        }
    }
}

破壞不可剝奪條件

上面已經給了你小小的提示，為了解決內建鎖的執著，Java 顯示鎖支援通知(notify/notifyall)和等待(wait)，也就是說該功能可以實現喊一嗓子 老鐵，鐵蛋兒的賬本先給我用一下，用完還給你 的功能，這個後續將到 Java SDK 相關內容時會做說明

破壞環路等待條件

破壞環路等待條件也很簡單，我們只需要將資源序號大小排序獲取就會解決這個問題，將環路拆除

繼續用程式碼來說明:

class Account {
  private int id;
  private int balance;
  // 轉賬
  void transfer(Account target, int amt){
    Account smaller = this        
    Account larger = target;    
    // 排序
    if (this.id > target.id) { 
      smaller = target;           
      larger = this;            
    }                          
    // 鎖定序號小的賬戶
    synchronized(smaller){
      // 鎖定序號大的賬戶
      synchronized(larger){ 
        if (this.balance > amt){
          this.balance -= amt;
          target.balance += amt;
        }
      }
    }
  } 
}

當 smaller 被佔用時，其他執行緒就會被阻塞，也就不會存在死鎖了.

附加說明

在實際業務中，關於 Account 都會是資料庫物件，我們可以通過事務或資料庫的樂觀鎖來解決的。另外分散式系統中，賬本管理員這個角色的處理也可能會用 redis 分散式鎖來解決.

在處理破壞請求和保持條件時，我們使用的是 while 迴圈方式來不斷請求鎖的時候，在實際業務中，我們會有 timeout 的設定，防止無休止的浪費 CPU 使用率

另外大家可以嘗試使用阿里開源工具 Arthas 來檢視 CPU 使用率，執行緒等相關問題，github 上有明確的說明

總結

計算機的計算能力遠遠超過人類，但是他的智慧還需要有帶提高，當看待併發問題時，我們往往認為人類的最基本溝通計算機也可以做到，其實不然，還是那句話，編寫併發程式，要站在計算機的角度來看待問題

粗粒度鎖我們不提倡，所以會使用細粒度鎖，但使用細粒度鎖的時候，我們要嚴格按照 Coffman 的四大條件來逐條判斷，這樣再應用我們這幾個解決方案來解決就好了

靈魂追問

  1. 破壞請求和保持條件時，處理能力的瓶頸在賬本管理員那裡，那你覺得這種處理方式會提高併發量嗎？
  2. 破壞請求保持條件的方法和破壞環路等待的方法，你覺得那種方式更好
  3. 破壞請求和保持條件時，如果程式碼換成下面的樣子會發生什麼？
public void transfer(Account target, int amt){
    // 一次性申請轉出賬戶和轉入賬戶，直到成功
    while(accountBookManager.getAllRequiredAccountBook(this, target)){}
        try{
            // 鎖定轉出賬戶
            synchronized(this){
                // 鎖定轉入賬戶
                synchronized(target){
                    if (this.balance > amt){
                        this.balance -= amt;
                        target.balance += amt;
                    }
                }
            }
        } finally {
            accountBookManager.releaseObtainedAccountBook(this, target);
        }
    }
}

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