java多線程死鎖問題的詳細(xì)介紹

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一、什么是死鎖

當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的線程在執(zhí)行過程中，因?yàn)闋?zhēng)奪資源而造成的一種相互等待的狀態(tài)，由于存在一種環(huán)路的鎖依賴關(guān)系而永遠(yuǎn)地等待下去，如果沒有外部干涉，他們將永遠(yuǎn)等待下去，此時(shí)的這個(gè)狀態(tài)稱之為死鎖。

經(jīng)典的 "哲學(xué)家進(jìn)餐" 問題很好地描述了死鎖狀況：

• 5個(gè)哲學(xué)家去吃中餐，坐在一張圓桌旁，他們有5根筷子(而不是5雙)，并且每?jī)蓚€(gè)人中間放一根筷子，哲學(xué)家們要么在思考，要么在進(jìn)餐，每個(gè)人都需要一雙筷子才能吃到東西，并在吃完后將筷子放回原處繼續(xù)思考，有些筷子管理算法(1)能夠使每個(gè)人都能相對(duì)及時(shí)的吃到東西，但有些算法卻可能導(dǎo)致一些或者所有哲學(xué)家都"餓死"，后一種情況將產(chǎn)生死鎖：每個(gè)人都擁有其他人需要的資源，同時(shí)有等待其他人已經(jīng)擁有的資源，并且每個(gè)人在獲取所有需要的資源之前都不會(huì)放棄已經(jīng)擁有的資源?？曜庸芾硭惴?1)：一個(gè)饑餓的科學(xué)家會(huì)嘗試獲得兩根臨近的筷子，但如果其中一根正在被另一個(gè)科學(xué)家使用，那么他將放棄已經(jīng)得到的那根筷子，并在等待幾分鐘之后嘗試

死鎖：每個(gè)人都立即抓住自己左邊的筷子，然后等待自己右邊的筷子空出來(lái)，但同時(shí)又不放下已經(jīng)拿到的筷子，形成一種相互等待的狀態(tài)。饑餓：哲學(xué)家們都同時(shí)想吃飯，同時(shí)拿起左手邊筷子，但是發(fā)現(xiàn)右邊沒有筷子，于是哲學(xué)家又同時(shí)放下左手邊筷子，然后大家發(fā)現(xiàn)又有筷子了，又同時(shí)開始拿起左手邊筷子，又同時(shí)放下，然后反復(fù)進(jìn)行。

在線程A持有鎖L并想獲得鎖M的同時(shí)，線程B持有鎖M并嘗試獲得鎖L，那么這兩個(gè)線程將永遠(yuǎn)地等待下去，這種情況就是死鎖形式(或者稱為"抱死")

二、死鎖的四個(gè)必要條件

• 互斥條件：指進(jìn)程對(duì)所分配到的資源進(jìn)行排它性使用，即在一段時(shí)間內(nèi)某資源只由一個(gè)進(jìn)程占用。如果此時(shí)還有其它進(jìn)程請(qǐng)求資源，則請(qǐng)求者只能等待，直至占有資源的進(jìn)程用完釋放。

• 請(qǐng)求和保持條件：指進(jìn)程已經(jīng)保持至少一個(gè)資源，但又提出了新的資源請(qǐng)求，而該資源已被其它進(jìn)程占有，此時(shí)請(qǐng)求進(jìn)程阻塞，但又對(duì)自己已獲得的其它資源保持不放。

• 不剝奪條件：指進(jìn)程已獲得的資源，在未使用完之前，不能被剝奪，只能在使用完時(shí)由自己釋放。

• 環(huán)路等待條件：指在發(fā)生死鎖時(shí)，必然存在一個(gè)進(jìn)程——資源的環(huán)形鏈，即進(jìn)程集合{A，B，C，···，Z}  中的A正在等待一個(gè)B占用的資源;B正在等待C占用的資源，……，Z正在等待已被A占用的資源。

三、死鎖實(shí)例

/**  * 死鎖類示例  */  public class DeadLock implements Runnable {  public int flag = 1;  //靜態(tài)對(duì)象是類的所有對(duì)象共享的  private static Object o1 = new Object(), o2 = new Object();  @Override  public void run() {  System.out.println("flag:{}"+flag);  if (flag == 1) { //先鎖o1，再對(duì)o2加鎖，環(huán)路等待條件  synchronized (o1) {  try {  Thread.sleep(500);  } catch (Exception e) {  e.printStackTrace();  }  synchronized (o2) {  System.out.println("1");  }  }  }  if (flag == 0) {//先鎖o2，在鎖01  synchronized (o2) {  try {  Thread.sleep(500);  } catch (Exception e) {  e.printStackTrace();  }  synchronized (o1) {  System.out.println("0");  }  }  }  }  public static void main(String[] args) {  DeadLock td1 = new DeadLock();  DeadLock td2 = new DeadLock();  td1.flag = 1;  td2.flag = 0;  //td1,td2都處于可執(zhí)行狀態(tài)，但JVM線程調(diào)度先執(zhí)行哪個(gè)線程是不確定的。  //td2的run()可能在td1的run()之前運(yùn)行  new Thread(td1).start();  new Thread(td2).start();  }  }

1、當(dāng)DeadLock  類的對(duì)象flag=1時(shí)(td1)，先鎖定o1,睡眠500毫秒2、而td1在睡眠的時(shí)候另一個(gè)flag==0的對(duì)象(td2)線程啟動(dòng)，先鎖定o2,睡眠500毫秒3、td1睡眠結(jié)束后需要鎖定o2才能繼續(xù)執(zhí)行，而此時(shí)o2已被td2鎖定;4、td2睡眠結(jié)束后需要鎖定o1才能繼續(xù)執(zhí)行，而此時(shí)o1已被td1鎖定;5、td1、td2相互等待，都需要得到對(duì)方鎖定的資源才能繼續(xù)執(zhí)行，從而死鎖。

動(dòng)態(tài)鎖順序死鎖：

// 資金轉(zhuǎn)賬到賬號(hào)  public static void transferMoney(Account fromAccount,  Account toAccount,  DollarAmount amount)  throws InsufficientFundsException {  // 鎖定匯款者的賬戶  synchronized (fromAccount) {  // 鎖定到賬者的賬戶  synchronized (toAccount) {  // 判斷賬戶的余額不能為負(fù)數(shù)  if (fromAccount.getBalance().compareTo(amount) < 0) {  throw new InsufficientFundsException();  } else {  // 匯款者的賬戶減錢  fromAccount.debit(amount);  // 到賬者的賬戶增錢  toAccount.credit(amount);  }  }  }  }

上面的代碼看起來(lái)都是按照相同的順序來(lái)獲得鎖的，按道理來(lái)說是沒有問題，但是上述代碼中上鎖的順序取決于傳遞給  transferMoney()的參數(shù)順序，而這些參數(shù)順序又取決于外部的輸入

• 如果兩個(gè)線程(A和B)同時(shí)調(diào)用 transferMoney()

• 其中一個(gè)線程(A)，從X向Y轉(zhuǎn)賬：  transferMoney(myAccount,yourAccount,10);

• 另一個(gè)線程(B)，從Y向X轉(zhuǎn)賬 ：  transferMoney(yourAccount,myAccount,20);

• 此時(shí) A線程 可能獲得 myAccount 的鎖并等待  yourAccount的鎖，然而 B線程 此時(shí)已經(jīng)持有 yourAccount 的鎖，并且正在等待 myAccount  的鎖，這種情況下就會(huì)發(fā)生死鎖。

當(dāng)一組java線程發(fā)生死鎖的時(shí)候，那么這些線程永遠(yuǎn)不能再使用了，根據(jù)線程完成工作的不同，可能會(huì)造成應(yīng)用程序的完全停止，或者某個(gè)特定的子系統(tǒng)不能再使用了，或者是性能降低，這個(gè)時(shí)候恢復(fù)應(yīng)用程序的唯一方式就是中止并重啟它，死鎖造成的影響很少會(huì)立即顯現(xiàn)出來(lái)，如果一個(gè)類發(fā)生死鎖，并不意味著每次都會(huì)發(fā)生死鎖，而只是表示有可能，當(dāng)死鎖出現(xiàn)的時(shí)候，往往是在最糟糕的時(shí)候——在高負(fù)載的情況下。

四、死鎖的避免與檢測(cè)

4.1 預(yù)防死鎖

• 破壞互斥條件：使資源同時(shí)訪問而非互斥使用，就沒有進(jìn)程會(huì)阻塞在資源上，從而不發(fā)生死鎖

• 破壞請(qǐng)求和保持條件：采用靜態(tài)分配的方式，靜態(tài)分配的方式是指進(jìn)程必須在執(zhí)行之前就申請(qǐng)需要的全部資源，且直至所要的資源全部得到滿足后才開始執(zhí)行，只要有一個(gè)資源得不到分配，也不給這個(gè)進(jìn)程分配其他的資源。

• 破壞不剝奪條件：即當(dāng)某進(jìn)程獲得了部分資源，但得不到其它資源，則釋放已占有的資源，但是只適用于內(nèi)存和處理器資源。

• 破壞循環(huán)等待條件：給系統(tǒng)的所有資源編號(hào)，規(guī)定進(jìn)程請(qǐng)求所需資源的順序必須按照資源的編號(hào)依次進(jìn)行。

4.2 設(shè)置加鎖順序

如果兩個(gè)線程(A和B),當(dāng)A線程已經(jīng)鎖住了Z，而又去嘗試鎖住X，而X已經(jīng)被線程B鎖住，線程A和線程B分別持有對(duì)應(yīng)的鎖，而又去爭(zhēng)奪其他一個(gè)鎖(嘗試鎖住另一個(gè)線程已經(jīng)鎖住的鎖)的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生死鎖，如下圖：

兩個(gè)線程試圖以不同的順序來(lái)獲得相同的鎖，如果按照相同的順序來(lái)請(qǐng)求鎖，那么就不會(huì)出現(xiàn)循環(huán)的加鎖依賴性，因此也就不會(huì)產(chǎn)生死鎖，每個(gè)需要鎖Z和鎖X的線程都以相同的順序來(lái)獲取Z和X，那么就不會(huì)發(fā)生死鎖了，如下圖所示：

這樣死鎖就永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。針對(duì)兩個(gè)特定的鎖，可以嘗試按照鎖對(duì)象的hashCode值大小的順序，分別獲得兩個(gè)鎖，這樣鎖總是會(huì)以特定的順序獲得鎖，我們通過設(shè)置鎖的順序，來(lái)防止死鎖的發(fā)生，在這里我們使用  System.identityHashCode方法來(lái)定義鎖的順序，這個(gè)方法將返回由Obejct.hashCode  返回的值，這樣就可以消除死鎖發(fā)生的可能性。

public class DeadLockExample3 {  // 加時(shí)賽鎖，在極少數(shù)情況下，如果兩個(gè)hash值相等，使用這個(gè)鎖進(jìn)行加鎖  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);  }  }  }  // 得到兩個(gè)鎖的hash值  int fromHash = System.identityHashCode(fromAcct);  int toHash = System.identityHashCode(toAcct);  // 根據(jù)hash值判斷鎖順序，決定鎖的順序  if (fromHash < toHash) {  synchronized (fromAcct) {  synchronized (toAcct) {  new Helper().transfer();  }  }  } else if (fromHash > toHash) {  synchronized (toAcct) {  synchronized (fromAcct) {  new Helper().transfer();  }  }  } else {// 如果兩個(gè)對(duì)象的hash相等，通過tieLock來(lái)決定加鎖的順序，否則又會(huì)重新引入死鎖&mdash;&mdash;加時(shí)賽鎖  synchronized (tieLock) {  synchronized (fromAcct) {  synchronized (toAcct) {  new Helper().transfer();  }  }  }  }  }  }

• 在極少數(shù)情況下，兩個(gè)對(duì)象可能擁有兩個(gè)相同的散列值，此時(shí)必須通過某種任意的方法來(lái)決定鎖的順序，否則可能又會(huì)重新引入死鎖。

• 為了避免這種情況，可以使用 “加時(shí)(Tie-Breaking))”鎖，這獲得這兩個(gè)Account鎖之前，從而消除了死鎖發(fā)生的可能性

4.3  支持定時(shí)的鎖(超時(shí)放棄)

有一項(xiàng)技術(shù)可以檢測(cè)死鎖和從死鎖中恢復(fù)過來(lái)，就是使用Lock類中的定時(shí)  publicbooleantryLock(longtime,TimeUnitunit)throwsInterruptedException功能，來(lái)代替內(nèi)置鎖機(jī)制，當(dāng)使用內(nèi)置鎖的時(shí)候，只要沒有獲得鎖，就會(huì)永遠(yuǎn)等待下去，而  tryLock可以指定一個(gè)超時(shí)時(shí)間 (Timeout)，在等待超過時(shí)間后  tryLock會(huì)返回一個(gè)失敗信息，如果超時(shí)時(shí)限比獲取鎖的時(shí)間要長(zhǎng)很多，那么就可以在發(fā)生某個(gè)意外后重新獲得控制權(quán)。如下圖所示： 

4.4 死鎖避免

死鎖防止方法能夠防止發(fā)生死鎖，但必然會(huì)降低系統(tǒng)并發(fā)性，導(dǎo)致低效的資源利用率，其中最具有代表性的避免死鎖算法是銀行家算法。

1、多個(gè)資源的銀行家算法

上圖中有五個(gè)進(jìn)程，四個(gè)資源。左邊的圖表示已經(jīng)分配的資源，右邊的圖表示還需要分配的資源。最右邊的 E、P 以及 A  分別表示：總資源、已分配資源以及可用資源，注意這三個(gè)為向量，而不是具體數(shù)值，例如 A=(1020)，表示 4 個(gè)資源分別還剩下 1/0/2/0。

檢查一個(gè)狀態(tài)是否安全的算法如下：

• 查找右邊的矩陣是否存在一行小于等于向量 A。如果不存在這樣的行，那么系統(tǒng)將會(huì)發(fā)生死鎖，狀態(tài)是不安全的。

• 假若找到這樣一行，將該進(jìn)程標(biāo)記為終止，并將其已分配資源加到 A 中。

• 重復(fù)以上兩步，直到所有進(jìn)程都標(biāo)記為終止，則狀態(tài)是安全的。

• 如果一個(gè)狀態(tài)不是安全的，需要拒絕進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)。

4.5 死鎖檢測(cè)

• 對(duì)資源的分配加以適當(dāng)限制可防止或避免死鎖發(fā)生，但不利于進(jìn)程對(duì)系統(tǒng)資源的充分共享。

• 為每個(gè)進(jìn)程和每個(gè)資源指定一個(gè)唯一的號(hào)碼

• Jstack命令 jstack用于生成java虛擬機(jī)當(dāng)前時(shí)刻的線程快照。線程快照是當(dāng)前java虛擬機(jī)內(nèi)每一條線程正在執(zhí)行的方法堆棧的集合，生成線程快照的主要目的是定位線程出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間停頓的原因，如線程間死鎖、死循環(huán)、請(qǐng)求外部資源導(dǎo)致的長(zhǎng)時(shí)間等待，線程出現(xiàn)停頓的時(shí)候通過jstack來(lái)查看各個(gè)線程的調(diào)用堆棧，就可以知道沒有響應(yīng)的線程到底在后臺(tái)做什么事情，或者等待什么資源

• JConsole工具

Jconsole是JDK自帶的監(jiān)控工具，在JDK/bin目錄下可以找到。它用于連接正在運(yùn)行的本地或者

遠(yuǎn)程的JVM，對(duì)運(yùn)行在Java應(yīng)用程序的資源消耗和性能進(jìn)行監(jiān)控，并畫出大量的圖表，提供強(qiáng)大

的可視化界面。而且本身占用的服務(wù)器內(nèi)存很小，甚至可以說幾乎不消耗。

4.5 死鎖恢復(fù)

• 資源剝奪：剝奪陷于死鎖的進(jìn)程所占用的資源，但并不撤銷此進(jìn)程，直至死鎖解除

• 進(jìn)程回退：根據(jù)系統(tǒng)保存的檢查點(diǎn)讓所有的進(jìn)程回退，直到足以解除死鎖，這種措施要求系統(tǒng)建立保存檢查點(diǎn)、回退及重啟機(jī)制

• 進(jìn)程撤銷：

1、撤銷陷入死鎖的所有進(jìn)程，解除死鎖，繼續(xù)運(yùn)行。

2、逐個(gè)撤銷陷入死鎖的進(jìn)程，回收其資源并重新分配，直至死鎖解除。  可選擇符合下面條件之一的先撤銷：

1. CPU消耗時(shí)間最少者
   

2. 產(chǎn)生的輸出量最小者

3. 預(yù)計(jì)剩余執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)者

4. 分得的資源數(shù)量最少者后優(yōu)先級(jí)最低者

系統(tǒng)重啟：結(jié)束所有進(jìn)程的執(zhí)行并重新啟動(dòng)操作系統(tǒng)。這種方法很簡(jiǎn)單，但先前的工作全部作廢。

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