死锁细究！

news/2024/11/17 22:40:33/

一、死锁的定义&危害

1、死锁是什么

  • 发生在并发中
  • 互不想让：当两个（或更多）线程（或进程）相互持有对方所需要的资源，又不主动释放，导致所有人都无法继续前进，导致程序陷入无尽的阻塞，这就是死锁。

  • 多个线程造成死锁的情况
    • 如果多个线程之间的依赖关系是环形，存在环路的锁的依赖关系，那么也可能会发送死锁

2、死锁的影响

死锁的影响在不同的系统中是不一样的，这取决于系统对死锁的处理能力

  • 数据库中： 数据库可以检测到并介入，可以通过放弃其中某个事物的锁来解决
  • JVM中： JVM 无法自动处理锁，需要人工处理

3、死锁的危害

死锁发生的几率不高但危害大，一旦发生，多是高并发场景，影响用户多；甚至可能造成整个系统奔溃，或者子系统崩溃，或者性能降低；而且在压力测试过程无法找出所有潜在的死锁。

二、发生死锁的例子

1. 两个线程的简单场景

代码展示：

/***  必定发生死锁的情况*/
public class MustDeadLock implements Runnable {int flag = 1;//标记位static Object lock1 = new Object();static Object lock2 = new Object();public static void main(String[] args) {MustDeadLock r1 = new MustDeadLock();MustDeadLock r2 = new MustDeadLock();r1.flag=1;r2.flag=0;Thread thread1 = new Thread(r1);Thread thread2 = new Thread(r2);thread1.start();thread2.start();}@Overridepublic void run() {System.out.println("flag= " + flag);if (flag == 1) {synchronized (lock1){try {Thread.sleep(500);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}synchronized (lock2){System.out.println("线程1成功拿到两把锁");}}}if (flag == 0) {synchronized (lock2){try {Thread.sleep(500);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}synchronized (lock1){System.out.println("线程2成功拿到两把锁");}}}}}

结果如下：

thread1 启动之后拿到 lock1 并休眠 500ms ，与此同时，thread2 启动之后拿到了 lock2 并休眠 500ms ；thread1 醒来之后想去获取 lock2 ，但是 lock2 被 thread2 拥有，因此 thread1 会陷入阻塞，而 thread2 醒来之后会去拿 lock1 ，但是 lock 在 thread1 手上，thread2 也会陷入阻塞， thread1 和 thread2 都进入了阻塞，相互等待，结果进入了死锁。

2. 银行转账的案例

具体案例可参考文章：《银行转账（死锁）》

三、死锁发生的必要条件

1、互斥条件

一个资源每一次只能被一个进程或者线程使用。比如我这里有锁，我拿了这锁之后，其他线程就不能拿到他，除非我释放了他

2、请求与保持条件

第一个线程请求第二把锁同时保持第一把锁。比如线程1想要请求一把锁B，在请求期间，他对已经拿到的锁A一直保持不释放

3、不剥夺条件

不被外界干扰剥夺锁。即没有外界干扰结束死锁的情况。

4、循环等待条件

两个或者多个互相等待或者环形等待锁的释放。比如两个线程等待条件，就是你等我释放，我等你释放；多个线程等待条件，就是A等B，B等C，C等D，D等E，E等F，F等A，无尽不释放，无尽陷入等待，构成环路。

以上四个条件：缺一不可， 只需要破解以上4个条件任意一个条件，这个死锁就不会发生了！！

四、如何定位死锁的位置

1、jstack 命令

该代码来自文章《银行转账（死锁）》中，代码如下：

public class TransferMoney implements Runnable {Integer flag = 1;static Account a = new Account(1000);static Account b = new Account(1000);//主函数public static void main(String[] args) throws InterruptedException {TransferMoney t1 = new TransferMoney();TransferMoney t2 = new TransferMoney();t1.flag = 1;t1.flag = 0;Thread thread1 = new Thread(t1);Thread thread2 = new Thread(t2);thread1.start();thread2.start();thread1.join();thread1.join();System.out.println("a的余额为："+a.balance);System.out.println("a的余额为："+b.balance);}@Overridepublic void run() {if (flag == 1) {transferMoney(a, b, 500);}if (flag == 0) {transferMoney(b, a, 500);}}// 转账private void transferMoney(Account from, Account to, int amount) {synchronized (from) {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取到第一把锁");//加入线程睡眠500mstry {Thread.sleep(500);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}synchronized (to) {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取到第二把锁");if (from.balance - amount < 0) {System.out.println("余额不足，转账失败。");return;}from.balance -= amount;to.balance += amount;System.out.println("成功转账" + i + "元");}}}static class Account {//余额int balance;public Account(int balance) {this.balance = balance;}}
}

下面通过使用java自带的jstack命令，来查找我们项目中的死锁问题

## 需要首先获取程序的进程 pid
jps
## 然后在 终端界面执行如下命令
jstack 8359  #javahome下的jastack命令 进程的pid

执行结果图：

可以清晰地看到 Thread-1 拿到了锁 <0x000000076adae688> ,正在等待 <0x000000076adae678>，而 Thread-0 拿到了锁 <0x000000076adae678>，正在等待 <0x000000076adae688>，于是两者互相等待，造成死锁。

2、ThreadMXBean代码

/***      通过 ThreadMXBean 检测死锁*/
import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.lang.management.ThreadInfo;
import java.lang.management.ThreadMXBean;public class ThreadMXBeanDetection implements Runnable{int flag = 1;//标记位static Object lock1 = new Object();static Object lock2 = new Object();public static void main(String[] args) throws InterruptedException {ThreadMXBeanDetection r1 = new ThreadMXBeanDetection();ThreadMXBeanDetection r2 = new ThreadMXBeanDetection();r1.flag=1;r2.flag=0;Thread thread1 = new Thread(r1);Thread thread2 = new Thread(r2);thread1.start();thread2.start();Thread.sleep(1000);//得到实例ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean();long[] deadlockedThreads = threadMXBean.findDeadlockedThreads();//发现死锁if (deadlockedThreads != null && deadlockedThreads.length>0){//迭代for (long item : deadlockedThreads) {//获取线程信息ThreadInfo threadInfo = threadMXBean.getThreadInfo(item);//获取死锁线程的名字System.out.println("发现死锁："+threadInfo.getThreadName());}}}@Overridepublic void run() {System.out.println("flag= " + flag);if (flag == 1) {synchronized (lock1){try {Thread.sleep(500);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}synchronized (lock2){System.out.println(flag);}}}if (flag == 0) {synchronized (lock2){try {Thread.sleep(500);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}synchronized (lock1){System.out.println(flag);}}}}
}

打印结果：

如上图所示，ThreadMXBean 可以检测死锁，如果我们检测到了之后，就可以编写对应的逻辑，比如重启线程、通知告警系统、发消息提醒运维人员等。

五、修复死锁策略

1、线上发生死锁应该怎么办

保存案发现场，然后立即重启服务器，确保线上服务能运行下去，之后在利用保存的信息，排查死锁，修改代码，重新发布。

2、常见修复策略

  • 避免策略：哲学家就餐的换手方案、转账换序方案。可参考下面两篇文章：

    • 《哲学家就餐问题》
    • 《银行转账》

  • 检测与恢复策略：一段时间检测是否有死锁，如果有就剥夺某一个资源，来打开死锁

    • 检测算法： 锁的调用链路图
      • 允许发生死锁
      • 每次调用锁的记录，并绘成一个有向的数据结构图
      • 定期检查'锁的调用链路图'中是否存在环路
      • 一旦发现死锁，就用死锁恢复机制恢复
    • 死锁恢复机制
      • 进程终止：逐个终止线程，直到死锁消除
        • 终止顺序：
          • 线程的优先级（是前台交互还是后台处理）；
          • 已占用资源多少、还需要的资源多少；
          • 已运行时间长短
      • 资源抢占：
        • 把已经分发出去的锁收回
        • 让线程回退让几步，这样就不用结束整个线程，成本比较低
          • 缺点：可能造成线程饥饿

  • 鸵鸟策略：鸵鸟这种动物在遇到危险的时候，通常就会把头埋在地上，这样一来它就看不到危险了。而鸵鸟策略的意思就是说，如果我们发生死锁的概率极其低，那么我们就直接忽略它，直到死锁发生的时候，再人工修复。这是一种消极的处理方式，不推荐。

六、如何在工程中避免死锁

1、设置超时时间

  • 由于 synchronized不具备尝试锁的能力，可以使用 Lock的tryLock(long timeout, TimeUnit unit) 替代。
  • 造成超时的可能性多：发生了死锁、线程陷入死循环、线程执行很慢，无论是哪种情况，只要过了超时时间，就认为失败
  • 获取锁失败的时候，要执行一些应对措施：比如打日志、发报警邮件、重启等
/***      使用Lock中的tryLock()避免死锁*/
public class TryLockDeaLock implements Runnable {int flag = 1;static Lock lock1 = new ReentrantLock();static Lock lock2 = new ReentrantLock();@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 100; i++) {if (flag == 1){try {if (lock1.tryLock(800, TimeUnit.MILLISECONDS)){System.out.println("线程1，拿到lock1");Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));if (lock2.tryLock(800,TimeUnit.MILLISECONDS)){System.out.println("线程1，成功获取到 lock1 & lock2");//释放lock2.unlock();lock1.unlock();break;}else {System.out.println("线程1，获取lock2，失败，已重试");lock1.unlock();Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));}}else {System.out.println("线程1，获取lock1，失败，已重试");}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}if (flag ==0){try {if (lock2.tryLock(3000, TimeUnit.MILLISECONDS)){System.out.println("线程2，拿到lock2");Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));if (lock1.tryLock(3000,TimeUnit.MILLISECONDS)){System.out.println("线程2，成功获取到 lock1 & lock2");//释放lock2.unlock();lock1.unlock();break;}else {System.out.println("线程2，获取lock1，失败，已重试");lock1.unlock();Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));}}else {System.out.println("线程2，获取lock2，失败，已重试");}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}//主函数public static void main(String[] args) {TryLockDeaLock t1 = new TryLockDeaLock();TryLockDeaLock t2 = new TryLockDeaLock();t1.flag = 1;t2.flag = 0;Thread thread1 = new Thread(t1);Thread thread2 = new Thread(t2);thread1.start();thread2.start();}
}

2、多使用并发工具类，而不是自己设计锁

  • ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue、AtomicBoolean等
  • 实际应用中java.util.concurrent.atomic十分有用，简单方便且效率比使用Lock更高
  • 多用并发集合少用同步集合，并发集合比同步集合的可扩展性更好
  • 并发场景需要用到map，首先想到用ConcurrentHashMap

3、尽量降低锁的使用粒度：

用不同的锁而不是一个锁

4、如果能使用同步代码块，就不使用同步方法

在代码块中，可以自己指定锁对象（方便掌控锁）

5、给你的线程起个有意义的名字

如果遇到问题，在debug和排查时事倍功半，更容易定位到问题，框架和JDK都遵守这个最佳实践

6、避免锁嵌套

比如下图中在已经持有 lock1 的情况下，还要继续请求 lock2，锁互相嵌套，更容易导致死锁

7、分配资源前先看能不能收回

银行家算法：在放贷之前，首先对资源的进行有效计算，看看资源能不能收回来。

8、不要几个功能用同一把锁

每一个功能都要有自己专门的锁，专锁专用

七. 其它线程活跃性故障：活锁、饥饿

死锁是最常见的活跃性问题，不过除了之前的死锁之外，还有一些类似的问题，会导致程序无法顺利执行，统称为 活跃性问题

1. 活锁

（1）什么是活锁

  • 虽然线程并没有阻塞，也始终在运行（所以被称为“活锁”，线程是“活的”），但是程序却得不到进展，因为线程始终重复做同样的事
  • 如果是死锁，只会是等待，不会消耗CPU资源，但活锁除了程序无法进行，还会消耗 cpu 资源

（2）代码演示

可参考文章：《牛郎织女的幸福生活》

（3）生产中的活锁：消息队列

如果在消息队列中使用策略：消息处理失败，就放在队列开头重试。但是若该消息失败的原因是由于某个依赖的服务出了问题，会导致该消息一直失败。那么消息就会不停地重新放回队列头，不停地重试，虽然没阻塞，但是由于一直在处理该消息，程序也无法继续执行。

解决方案：

  • 放到队列尾部
  • 设置重试次数限制

（4）活锁问题突破口

增加随机因素：出现活锁的原因大都是因为重试机制不变，每一次重试的触发时机总是相同导致。所以可以参考以太网的指数退避算法：连接重试时间不是固定的，而是随机的，并且随机范围随着碰撞强度的升高而逐渐扩大。我们也可以加入一些随机因素，改变每次重试的条件或时机，或者每次重试的执行逻辑等。

2. 饥饿

（1）什么是饥饿

  • 当线程需要某些资源(例如CPU)，但是却一直始终得不到
  • 线程的优先级设置过低，或者有某个线程持有锁同时又无限循环从而不释放锁，或者某程序始终占用某文件的写锁

（2）饥饿的影响

饥饿可能会导致响应性差：比如，我们的浏览器有一个线程负责处理前台响应（打开收藏夹等动作），另外的后台线程负责下载图片和文件、计算渲染等。在这种情况下，如果后台线程把CPU资源都占用了，那么前台线程将无法得到很好地执行，这会导致用户的体验很差

（3）解决方案

  • 注意到程序上不应该有锁使用完却不释放的逻辑错误
  • 不应该在程序中设置优先级

文章来源：死锁细究

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