Java并发编程（四）--- 死锁的发生与避免

文章首发于：Java并发编程（四）— 死锁的发生与避免

前言

上一篇我们介绍了如何通过synchronized 来加锁保护资源。但是，不当的加锁方式可能就会导致死锁。

死锁发生的场景

最典型的就是哲学家问题，
场景：5个哲学家，5跟筷子，5盘意大利面，大家围绕桌子而坐，进行思考与进食活动。

哲学家的活动描述：
哲学家除了吃面、还要思考、所以要么放下左右手筷子进行思考、要么拿起两个筷子（自己两侧的）开始吃面。
哲学家从不交谈，这就很危险了，很可能会发生死锁，假设每个人都是先拿到左边的筷子，然后去拿右边的筷子，那么就可能会出现如下情况。

通过代码模拟：

public class DeadLockTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        int sum = 5;
        Chopsticks[] chopsticks = new Chopsticks[sum];
        for (int i = 0; i < sum; i++) {
            chopsticks[i] = new Chopsticks();
        }
        for (int i = 0; i < sum; i++) {
            executorService.execute(new Philosopher(chopsticks[i], chopsticks[(i + 1) % sum]));
        }
    }
	// 筷子
    static class Chopsticks {
    }
	//哲学家
    static class Philosopher implements Runnable {
        private Chopsticks left;
        private Chopsticks right;

        public Philosopher(Chopsticks left, Chopsticks right) {
            this.left = left;
            this.right = right;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                //思考一段时间
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            synchronized (left) {
                try {
                    //拿到左边的筷子之后等待一段时间
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                 synchronized (right) {
                    try {
                        System.out.println("********开始吃饭");
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
            }
        }
    }
}

如上程序：定义了一个哲学家类，该类的主要任务要么是思考，要么是吃饭，吃饭的话，首先拿到其左边的筷子，等待一段时间后再去拿其右边的筷子。在此处因为每个哲学家都是占用自己左边的筷子等待拿右边的筷子。所以，就会出现循环等待，导致死锁。下面我们就来查看下：

如何查看死锁的发生

我们可以通过java命令很方便的查看是否有死锁发生。首先通过jps命令查看当前程序所占的进程如下：

找到对应的进程之后，接着通过jstack 命令查看程序运行情况。如下：

通过上述分析我们发现死锁发生的条件是如下四个（必须同时满足）：

1. 互斥，共享资源A和B只能被一个线程占用，就是本例中的，一根筷子同一时刻只能被一个哲学家获得
2. 占有且等待：线程T1持有共享资源A,在等待共享资源B时，不释放占用的资源，在本例中就是：哲学家1获得他左边的筷子，等待获得他右边的筷子，即使没有得到也不会放回其获得的筷子。
3. 不可抢占：其他线程不能强行占用线程T1占用的资源，在本例中就是：每个哲学家获得的筷子不能被其他哲学家抢走。
4. 循环等待：线程T1等待线程T2占用的资源，线程T2等待线程T1占用的资源。在本例中：所有哲学家围坐一桌，已经形成了一个申请资源的环。

如何避免死锁

前面我们说了，死锁的发生条件是必须同时满足上述四个条件。那么避免死锁的方式就是破坏掉其中的一个条件就可以了。

对于占用且等待

对于占用且等待的情况，我们只需要一次性申请所有的资源，只有申请到了才会往下面走。对于这种情况，我们需要一个调度者，由它来统一申请资源。调度者必须是单例的，由他给哲学家分配筷子。

public class Allocator {
    private List<Object> applyList = new ArrayList<Object>();

    private final static Allocator allocator = new Allocator();

    private Allocator() {

    }

    /**
     * 只能由一个人完成，所以是单例模式
     * @return
     */
    public static Allocator getAllocator() {
        return allocator;
    }

    /**
     * 申请资源
     */
    synchronized boolean applyResource(Object from, Object to) {
        if (applyList.contains(from) ||
                applyList.contains(to)) {
            return false;
        }
        applyList.add(from);
        applyList.add(to);
        return true;
    }

    /**
     * 释放资源
     */
    synchronized void free(Object from, Object to) {
        applyList.remove(from);
        applyList.remove(to);
    }

调度者会一直申请拿到两个资源，如果能拿到这执行后续流程，拿不到的话则一直循环申请。

public void eat(Account2 target) {
        //没有申请到锁就一直循环下去,直到成功
        while (!Allocator.getAllocator().applyResource(this, target)) {
            return;
        }
        try {
            //左边
            synchronized (this) {
                //右边
                synchronized (target) {

                }
            }
        } finally {
            //释放已经申请的资源
            Allocator.getAllocator().free(this, target);
        }
    }

对于不可抢占资源

对于不可抢占资源，占有部分资源的线程进一步申请其他资源，如果申请不到则主动释放它占用的资源。在后面我们会运用lock来实现。给锁设定超时时间。如果在超时未获得需要的资源，则释放其所占资源。

class Philosopher extends Thread{
    private ReentrantLock left,right;

    public Philosopher(ReentrantLock left, ReentrantLock right) {
        super();
        this.left = left;
        this.right = right;
    }
    public void run(){
        try {
            while(true){
                Thread.sleep(1000);//思考一段时间
                left.lock();
                try{
                    if(right.tryLock(1000,TimeUnit.MILLISECONDS)){
                        try{
                            Thread.sleep(1000);//进餐一段时间
                        }finally {
                            right.unlock();
                        }
                    }else{
                        //没有获取到右手的筷子，放弃并继续思考
                    }
                }finally {
                    left.unlock();
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
        }
    }
}

如上程序，我们将right锁的超时时间设置为1秒，如果不能获取到，右手的筷子，则放弃吃面并继续思考。

对于循环等待

对于循环等待，我们可以按序申请资源来预防，所谓的按序申请，是指资源是有线性顺序的，申请的时候可以先申请序号小的，再申请序号大的。
我们在Chopsticks中添加一个id 字段，作为资源的序号。然后在申请资源时按照序号从小到大开始申请。

   static class Chopsticks {
        private int id;

        public Chopsticks(int id) {
            this.id = id;
        }

        public int getId() {
            return id;
        }
    }
	
	 public Philosopher(Chopsticks left, Chopsticks right) {
            if (left.getId() > right.getId()) {
                this.left = right;
                this.right = left;
            } else {
                this.left = left;
                this.right = right;
            }
        }

死锁发生后如何处理

当检测到死锁时，一个可行的做法是释放所有锁，回退，并且等待一段随机时间后重试。这个和简单的加锁超时类似，不一样的是只有死锁已经发生了才回退 。而不会是因为加锁的请求超时了，虽然有回退和等待，但是如果有大量线程竞争同一批锁，它们还是会重复地死锁。

一个更好的方案是给这些线程设置优先级，让一个（或几个）线程回退，剩下的线程就像没发生死锁一样继续保持着它们需要的锁。可以再死锁发生的时候设置随机的优先级。

总结

本文通过一个经典的哲学家就餐的问题，引入了死锁发生的场景及发生的条件。然后，针对这些条件介绍了避免死锁的三种方式。