Java併發程式設計文章系列
Java併發程式設計實戰 01併發程式設計的Bug源頭
Java併發程式設計實戰 02Java如何解決可見性和有序性問題
Java併發程式設計實戰 03互斥鎖 解決原子性問題
前提
在第三篇文章最後的例子當中，需要獲取到兩個賬戶的鎖後進行轉賬操作，這種情況有可能會發生死鎖，我把上一章的程式碼片段放到下面：
public class Account {
// 餘額
private Long money;
public synchronized void transfer(Account target, Long money) {
synchronized(this) { (1)
synchronized (target) { (2)
this.money -= money;
if (this.money < 0) {
// throw exception
}
target.money += money;
}
}
}
}
若賬戶A轉賬給賬戶B100元，賬戶B同時也轉賬給賬戶A100元，當賬戶A轉帳的執行緒A執行到了程式碼(1)處時，獲取到了賬戶A物件的鎖，同時賬戶B轉賬的執行緒B也執行到了程式碼(1)處時，獲取到了賬戶B物件的鎖。當執行緒A和執行緒B執行到了程式碼(2)處時，他們都在互相等待對方釋放鎖來獲取，可是synchronized是阻塞鎖，沒有執行完程式碼塊是不會釋放鎖的，就這樣，執行緒A和執行緒B死死的對著，誰也不放過誰。等到了你去重啟應用的那一天。。。這個現象就是死鎖。
死鎖的定義：一組互相競爭資源的執行緒因互相等待，導致“永久”阻塞的現象。
如下圖：
查詢死鎖資訊
這裡我先以一個基本會發生死鎖的程式為例，建立兩個執行緒，執行緒A獲取到鎖A後，休眠1秒後去獲取鎖B；執行緒B獲取到鎖B後 ，休眠1秒後去獲取鎖A。那麼這樣基本都會發生死鎖的現象，程式碼如下：
public class DeadLock extends Thread {
private String first;
private String second;
public DeadLock(String name, String first, String second) {
super(name); // 執行緒名
this.first = first;
this.second = second;
}
public void run() {
synchronized (first) {
System.out.println(this.getName() + " 獲取到鎖: " + first);
try {
Thread.sleep(1000L); //執行緒休眠1秒
synchronized (second) {
System.out.println(this.getName() + " 獲取到鎖: " + second);
}
} catch (InterruptedException e) {
// Do nothing
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
String lockA = "lockA";
String lockB = "lockB";
DeadLock threadA = new DeadLock("ThreadA", lockA, lockB);
DeadLock threadB = new DeadLock("ThreadB", lockB, lockA);
threadA.start();
threadB.start();
threadA.join(); //等待執行緒1執行完
threadB.join();
}
}
執行程式後將發生死鎖，然後使用jps命令（jps.exe在jdk/bin目錄下），命令如下：
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\bin>jps -l
24416 sun.tools.jps.Jps
24480 org.jetbrains.kotlin.daemon.KotlinCompileDaemon
1624
20360 org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher
9256
9320 page2.DeadLock
18188
可以發現發生死鎖的程式id 9320,然後使用jstack（jstack.exe在jdk/bin目錄下）命令檢視死鎖資訊。
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\bin>jstack 9320
"ThreadB" #13 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000001e48c800 nid=0x51f8 waiting for monitor entry [0x000000001f38f000]
java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
at page2.DeadLock.run(DeadLock.java:19)
- waiting to lock <0x000000076b99c198> (a java.lang.String)
- locked <0x000000076b99c1d0> (a java.lang.String)
"ThreadA" #12 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000001e48c000 nid=0x3358 waiting for monitor entry [0x000000001f28f000]
java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
at page2.DeadLock.run(DeadLock.java:19)
- waiting to lock <0x000000076b99c1d0> (a java.lang.String)
- locked <0x000000076b99c198> (a java.lang.String)
這樣我們就可以看到發生死鎖的資訊。雖然發現了死鎖，但是解決死鎖只能是重啟應用了。
如何避免死鎖的發生
1.固定的順序來獲得鎖
如果所有執行緒以固定的順序來獲得鎖，那麼在程式中就不會出現鎖順序死鎖問題。（取自《Java併發程式設計實戰》一書）
要想驗證鎖順序的一致性，有很多種方式，如果鎖定的物件含有遞增的id欄位（唯一、不可變、具有可比性的），那麼就好辦多了，獲取鎖的順序以id由小到大來排序。還是用轉賬的例子來解釋，程式碼如下：
public class Account {
// id (遞增)
private Integer id;
// 餘額
private Long money;
public synchronized void transfer(Account target, Long money) {
Account account1;
Account account2;
if (this.id < target.id) {
account1 = this;
account2 = target;
} else {
account1 = target;
account2 = this;
}
synchronized(account1) {
synchronized (account2) {
this.money -= money;
if (this.money < 0) {
// throw exception
}
target.money += money;
}
}
}
}
若該物件並沒有唯一、不可變、具有可比性的的欄位（如：遞增的id），那麼可以使用 System.identityHashCode() 方法返回的雜湊值來進行比較。比較方式可以和上面的例子一類似。System.identityHashCode()雖然會出現雜湊衝突，但是發生衝突的概率是非常低的。因此這項技術以最小的代價，換來了最大的安全性。
提示： 不管你是否重寫了物件的hashCode方法，System.identityHashCode() 方法都只會返回預設的雜湊值。
2.一次性申請所有資源
只要同時獲取到轉出賬戶和轉入賬戶的資源鎖。執行完轉賬操作後，也同時釋放轉入賬戶和轉出賬戶的資源鎖。那麼則不會出現死鎖。但是使用synchronized只能同時鎖定一個資源鎖，所以需要建立一個鎖分配器LockAllocator 。程式碼如下：
/** 鎖分配器（單例類） */
public class LockAllocator {
private final List<Object> lock = new ArrayList<Object>();
/** 同時申請鎖資源 */
public synchronized boolean lock(Object object1, Object object2) {
if (lock.contains(object1) || lock.contains(object2)) {
return false;
}
lock.add(object1);
lock.add(object2);
return true;
}
/** 同時釋放資源鎖 */
public synchronized void unlock(Object object1, Object object2) {
lock.remove(object1);
lock.remove(object2);
}
}
public class Account {
// 餘額
private Long money;
// 鎖分配器
private LockAllocator lockAllocator;
public void transfer(Account target, Long money) {
try {
// 迴圈獲取鎖，直到獲取成功
while (!lockAllocator.lock(this, target)) {
}
synchronized (this){
synchronized (target){
this.money -= money;
if (this.money < 0) {
// throw exception
}
target.money += money;
}
}
} finally {
// 釋放鎖
lockAllocator.unlock(this, target);
}
}
}
使用while迴圈不斷的去獲取鎖，一直到獲取成功，當然你也可以設定獲取失敗後休眠xx毫秒後獲取，或者其他優化的方式。釋放鎖必須使用try-finally的方式來釋放鎖。避免釋放鎖失敗。
3.嘗試獲取鎖資源
在Java中，Lock介面定義了一組抽象的加鎖操作。與內建鎖synchronized不同，使用內建鎖時，只要沒有獲取到鎖，就會死等下去，而顯示鎖Lock提供了一種無條件的、可輪詢的、定時的以及可中斷的鎖獲取操作，所有加鎖和解鎖操作都是顯示的（內建鎖synchronized的加鎖和解鎖操作都是隱示的），這篇文章就不展開來講顯示鎖Lock了（當然感興趣的朋友可以先百度一下）。
總結
在生產環境發生死鎖可是一個很嚴重的問題，雖說重啟應用來解決死鎖，但是畢竟是生產環境，代價很大，而且重啟應用後還是可能會發生死鎖，所以在編寫併發程式時需要非常嚴謹的避免死鎖的發生。避免死鎖的方案應該還有更多，鄙人不才，暫知這些方案。若有其它方案可以留言告知。非常感謝你的閱讀，謝謝。
參考文章：
《Java併發程式設計實戰》第10章
極客時間：Java併發程式設計實戰 05：一不小心死鎖了，怎麼辦？
極客時間：Java核心技術面試精講 18：什麼情況下Java程式會產生死鎖？如何定位、修復？
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