Java并發(fā)編程（四）--- 死鎖的發(fā)生與避免

前言

上一篇我們介紹了如何通過synchronized 來加鎖保護(hù)資源。但是，不當(dāng)?shù)募渔i方式可能就會導(dǎo)致死鎖。
死鎖發(fā)生的場景

最典型的就是哲學(xué)家問題，
場景：5個哲學(xué)家，5跟筷子，5盤意大利面，大家圍繞桌子而坐，進(jìn)行思考與進(jìn)食活動。
在這里插入圖片描述











哲學(xué)家的活動描述：
哲學(xué)家除了吃面、還要思考、所以要么放下左右手筷子進(jìn)行思考、要么拿起兩個筷子（自己兩側(cè)的）開始吃面。
哲學(xué)家從不交談，這就很危險了，很可能會發(fā)生死鎖，假設(shè)每個人都是先拿到左邊的筷子，然后去拿右邊的筷子，那么就可能會出現(xiàn)如下情況。














通過代碼模擬：

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 {
}
//哲學(xué)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 {
            //思考一段時間
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        synchronized (left) {
            try {
                //拿到左邊的筷子之后等待一段時間
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
             synchronized (right) {
                try {
                    System.out.println("********開始吃飯");
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
        }
    }
}

}

如上程序：定義了一個哲學(xué)家類，該類的主要任務(wù)要么是思考，要么是吃飯，吃飯的話，首先拿到其左邊的筷子，等待一段時間后再去拿其右邊的筷子。在此處因為每個哲學(xué)家都是占用自己左邊的筷子等待拿右邊的筷子。所以，就會出現(xiàn)循環(huán)等待，導(dǎo)致死鎖。下面我們就來查看下：
如何查看死鎖的發(fā)生

我們可以通過java命令很方便的查看是否有死鎖發(fā)生。首先通過jps命令查看當(dāng)前程序所占的進(jìn)程如下：
在這里插入圖片描述

找到對應(yīng)的進(jìn)程之后，接著通過jstack 命令查看程序運行情況。如下：

通過上述分析我們發(fā)現(xiàn)死鎖發(fā)生的條件是如下四個（必須同時滿足）：

互斥，共享資源A和B只能被一個線程占用，就是本例中的，一根筷子同一時刻只能被一個哲學(xué)家獲得
占有且等待：線程T1持有共享資源A,在等待共享資源B時，不釋放占用的資源，在本例中就是：哲學(xué)家1獲得他左邊的筷子，等待獲得他右邊的筷子，即使沒有得到也不會放回其獲得的筷子。
不可搶占：其他線程不能強行占用線程T1占用的資源，在本例中就是：每個哲學(xué)家獲得的筷子不能被其他哲學(xué)家搶走。
循環(huán)等待：線程T1等待線程T2占用的資源，線程T2等待線程T1占用的資源。在本例中：所有哲學(xué)家圍坐一桌，已經(jīng)形成了一個申請資源的環(huán)。

如何避免死鎖

前面我們說了，死鎖的發(fā)生條件是必須同時滿足上述四個條件。那么避免死鎖的方式就是破壞掉其中的一個條件就可以了。
對于占用且等待

對于占用且等待的情況，我們只需要一次性申請所有的資源，只有申請到了才會往下面走。對于這種情況，我們需要一個調(diào)度者，由它來統(tǒng)一申請資源。調(diào)度者必須是單例的，由他給哲學(xué)家分配筷子。

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

private final static Allocator allocator = new Allocator();

private Allocator() {

}

/**
 * 只能由一個人完成，所以是單例模式
 * @return
 */
public static Allocator getAllocator() {
    return allocator;
}

/**
 * 申請資源
 */
synchronized boolean applyResource(Object from, Object to) {
    if (applyList.contains(from) ||
            applyList.contains(to)) {
        return false;
    }
    applyList.add(from);
    applyList.add(to);
    return true;
}

/**
 * 釋放資源
 */
synchronized void free(Object from, Object to) {
    applyList.remove(from);
    applyList.remove(to);
}

調(diào)度者會一直申請拿到兩個資源，如果能拿到這執(zhí)行后續(xù)流程，拿不到的話則一直循環(huán)申請。

public void eat(Account2 target) {
//沒有申請到鎖就一直循環(huán)下去,直到成功
while (!Allocator.getAllocator().applyResource(this, target)) {
return;
}
try {
//左邊
synchronized (this) {
//右邊
synchronized (target) {

            }
        }
    } finally {
        //釋放已經(jīng)申請的資源
        Allocator.getAllocator().free(this, target);
    }
}

對于不可搶占資源

對于不可搶占資源，占有部分資源的線程進(jìn)一步申請其他資源，如果申請不到則主動釋放它占用的資源。在后面我們會運用lock來實現(xiàn)。給鎖設(shè)定超時時間。如果在超時未獲得需要的資源，則釋放其所占資源。

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);//思考一段時間
            left.lock();
            try{
                if(right.tryLock(1000,TimeUnit.MILLISECONDS)){
                    try{
                        Thread.sleep(1000);//進(jìn)餐一段時間
                    }finally {
                        right.unlock();
                    }
                }else{
                    //沒有獲取到右手的筷子，放棄并繼續(xù)思考
                }
            }finally {
                left.unlock();
            }
        }
    } catch (InterruptedException e) {
    }
}

}

如上程序，我們將right鎖的超時時間設(shè)置為1秒，如果不能獲取到，右手的筷子，則放棄吃面并繼續(xù)思考。
對于循環(huán)等待

對于循環(huán)等待，我們可以按序申請資源來預(yù)防，所謂的按序申請，是指資源是有線性順序的，申請的時候可以先申請序號小的，再申請序號大的。
我們在Chopsticks中添加一個id 字段，作為資源的序號。然后在申請資源時按照序號從小到大開始申請。

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;
        }
    }

死鎖發(fā)生后如何處理

當(dāng)檢測到死鎖時，一個可行的做法是釋放所有鎖，回退，并且等待一段隨機時間后重試。這個和簡單的加鎖超時類似，不一樣的是只有死鎖已經(jīng)發(fā)生了才回退 。而不會是因為加鎖的請求超時了，雖然有回退和等待，但是如果有大量線程競爭同一批鎖，它們還是會重復(fù)地死鎖。

一個更好的方案是給這些線程設(shè)置優(yōu)先級，讓一個（或幾個）線程回退，剩下的線程就像沒發(fā)生死鎖一樣繼續(xù)保持著它們需要的鎖?？梢栽偎梨i發(fā)生的時候設(shè)置隨機的優(yōu)先級。
總結(jié)

本文通過一個經(jīng)典的哲學(xué)家就餐的問題，引入了死鎖發(fā)生的場景及發(fā)生的條件。然后，針對這些條件介紹了避免死鎖的三種方式。




作者：碼農(nóng)飛哥
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