併發王者課-黃金1：兩敗俱傷-互不相讓的執行緒如何導致了死鎖僵局

秦二爺發表於2021-06-10
執行緒

歡迎來到《併發王者課》，本文是該系列文章中的第11篇。

在本篇文章中，我將為你介紹多執行緒中的經典問題-死鎖，以及死鎖的產生原因、處理和方式預防措施。

一、死鎖的產生

觀察下面這幅圖，執行緒1持有了A，但它需要B；而執行緒2持有了B，但是它需要A。

你看，問題就來了，A、B都在等待對方已經持有的資源，並且都不釋放，這就讓事情陷入了僵局，也就是產生了死鎖。

在併發程式設計中，死鎖表示的是一種狀態。在這種狀態下，各方都在等待另一方釋放所持有的資源，但是它們之間又缺乏必要的通訊機制，導致彼此存在環路依賴而永遠地等待下去。

死鎖不僅存在於Java程式中，在諸如資料庫等其他中介軟體及分散式架構中都會存在。在資料的設計中，會考慮到死鎖的監測和恢復。當資料庫中發生死鎖時，將選擇一個犧牲者並放棄對應的事務，同時釋放鎖定的資源。在它的競爭者執行結束後，應用程式可以重新執行這個事務，因為它的競爭者此前已經完成事務。

然而，在JVM中，處理死鎖並沒有資料庫中那麼優雅。當一組執行緒發生死鎖時，“遊戲”將到此結束，這些執行緒將不能再使用，而這可能會直接導致應用程式崩潰、效能降低或者部分功能停止。

所以，和其他併發問題一樣，死鎖是危險的，死鎖造成的影響會立即表現出來，而如果在高負載情況下，這將是一場災難。

二、死鎖產生的必要條件

從第一小節的圖示中，我們可以看到死鎖產生的一些必要條件：

  1. 互斥：一個資源每次只能被一個執行緒使用。比如，上圖中的A和B同時只能被執行緒1和執行緒2其中一個使用；
  2. 請求與保持條件：一個執行緒在請求其他資源被阻塞時，對已經持有的資源保持不釋放。比如，上圖中的執行緒1在請求B時，並不會釋放A；
  3. 不剝奪條件：對於執行緒已經獲得的資源，在它主動釋放前，不可以主動剝奪。比如，上圖中執行緒1和執行緒2已經獲得的資源，除非自己釋放，否則不可以被強制剝奪；
  4. 迴圈等待條件：多個執行緒之間形成環狀等待。上圖中的執行緒1和執行緒2所形成的就是迴圈等待。

三、模擬並體驗死鎖

在瞭解什麼是死鎖及其產生的條件後，我們根據上圖中的死鎖情景，通過一段程式碼來模擬體驗死鎖的發生。

根據上圖所示，定義哪吒執行緒，在執行時將持有A並請求B：

private static class NeZha implements Runnable {
  public void run() {
    synchronized(lockA) {
      System.out.println("哪吒: 持有A!");

      try {
        Thread.sleep(10);
      } catch (InterruptedException ignored) {}
      System.out.println("哪吒: 等待B...");

      synchronized(lockB) {
        System.out.println("哪吒: 已經同時持有A和B...");
      }
    }
  }
}

定義蘭陵王執行緒，在執行時持有B並請求A：

private static class LanLingWang implements Runnable {
  public void run() {
    synchronized(lockB) {
      System.out.println("蘭陵王: 持有B!");

      try {
        Thread.sleep(10);
      } catch (InterruptedException ignored) {}
      System.out.println("蘭陵王: 等待A...");

      synchronized(lockA) {
        System.out.println("蘭陵王: 已經同時持有A和B...");
      }
    }
  }
}

啟動兩個執行緒：

public class DeadLockDemo {
    public static final Object lockA = new Object();
    public static final Object lockB = new Object();

    public static void main(String args[]) {
        Thread thread1 = new Thread(new NeZha());
        Thread thread2 = new Thread(new LanLingWang());
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

兩個執行緒的輸出結果如下：

哪吒: 持有A!
蘭陵王: 持有B!
哪吒: 等待B...
蘭陵王: 等待A...

從結果中可以看到，哪吒和蘭陵王分別持有了A和B，但他們又相互請求對方持有的資源，最終導致死鎖，兩個執行緒進入了無限地等待。

四、死鎖的處理

1. 忽略死鎖

忽略死鎖是一種鴕鳥政策，它假設永遠不會發生死鎖。這種策略適用於死鎖發生概率較低且影響可容忍的場景，如果死鎖被證明永遠不會發生也可以採用這種策略。

2. 檢測

在這種策略下，死鎖是允許發生的。如果系統檢測到死鎖，也會對其進行糾正，比如跟蹤執行緒狀態和資源分配。在死鎖時，可以通過一些方法進行糾正：

  • 執行緒終止：選擇其中一個或多個執行緒進行終止，釋放資源，打破死鎖狀態；
  • 資源搶佔：重新分配各執行緒已經搶佔的資源，直到打破死鎖。

3. 預防

對待死鎖問題，預防是關鍵。本文第二小節已經列舉死鎖產生的一些必要條件，所以如果要預防死鎖，只要打破其中任一條件即可，Java中具體的死鎖預發方式我們會在後面的文章中介紹。

小結

以上就是關於死鎖的全部內容。在本文中，我們介紹了什麼是死鎖，以及死鎖產生的必要條件和應對策略。對待開發中的死鎖問題，既要保持敬畏之心，也不必聞之色變，審慎分析死鎖的可能並設計合理策略可以有效預防死鎖。

正文到此結束，恭喜你又上了一顆星✨

夫子的試煉

  • 執行本文的示例程式碼，嘗試找到破解其死鎖的方法。

延伸閱讀與參考資料

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