歡迎來(lái)到我們的多線程系列的第 3 部分！

• 在第 1 部分中，我們探討了 原子性 和 不變性。
• 在第 2 部分中，我們討論了飢餓。

在這一部分中，我們將深入研究多執(zhí)行緒中死鎖的機(jī)制。原因是什麼，如何識(shí)別以及可以使用的預(yù)防策略，以避免將程式碼變成僵局。應(yīng)用程式逐漸停止，通常沒(méi)有任何明顯的錯(cuò)誤，讓開(kāi)發(fā)人員感到困惑，系統(tǒng)凍結(jié)。

探索並發(fā)的複雜軌跡

理解死鎖的一個(gè)有用的類比是想像一個(gè)鐵路網(wǎng)絡(luò)，在相交的軌道上有多列火車。

由於每列火車都在等待下一列火車開(kāi)動(dòng)，因此沒(méi)有一列火車可以繼續(xù)行駛，從而導(dǎo)致僵局。在這種情況下，低效率的信號(hào)系統(tǒng)讓每趟列車在沒(méi)有先確認(rèn)下一段是否空閒的情況下就進(jìn)入了各自的路段，從而使所有列車陷入了一個(gè)無(wú)法打破的循環(huán)。

這個(gè)火車範(fàn)例說(shuō)明了多線程中的典型死鎖，其中線程（如火車）在等待其他資源被釋放時(shí)保留資源（軌道部分），但沒(méi)有一個(gè)可以前進(jìn)。為了防止這種軟體死鎖，必須實(shí)施有效的資源管理策略（類似於更智慧的鐵路訊號(hào)），以避免循環(huán)依賴並確保每個(gè)執(zhí)行緒的安全通道。

1.什麼是死鎖？

死鎖是執(zhí)行緒（或行程）無(wú)限期阻塞、等待其他執(zhí)行緒持有的資源的情況。這種情況會(huì)導(dǎo)致無(wú)法打破的依賴關(guān)係循環(huán)，任何涉及的執(zhí)行緒都無(wú)法取得進(jìn)展。在探索檢測(cè)、預(yù)防和解決方法之前，了解死鎖的基礎(chǔ)知識(shí)至關(guān)重要。

2. 死鎖發(fā)生的條件

要發(fā)生死鎖，必須同時(shí)滿足四個(gè)條件，稱為科夫曼條件：

• 互斥：至少一個(gè)資源必須以不可共享模式保存，這意味著一次只有一個(gè)執(zhí)行緒可以使用它。

• 持有並等待：執(zhí)行緒必須持有一種資源，並等待其他執(zhí)行緒持有的其他資源。

• 無(wú)搶佔(zhàn)：無(wú)法從執(zhí)行緒強(qiáng)行奪走資源。他們必須自願(yuàn)釋放。

• 循環(huán)等待：存在一個(gè)封閉的執(zhí)行緒鏈，其中每個(gè)執(zhí)行緒至少擁有鏈中下一個(gè)執(zhí)行緒所需的一個(gè)資源。

我們用時(shí)序圖來(lái)理解

在上面的動(dòng)畫中，

• 執(zhí)行緒 A 持有資源 1 並等待資源 2
• 當(dāng)執(zhí)行緒 B 持有資源 2 並等待資源 1

上面共享的所有四個(gè)死鎖條件都存在，這會(huì)導(dǎo)致無(wú)限期的阻塞。打破其中任何一個(gè)都可以防止僵局。

3. 偵測(cè)/監(jiān)控死鎖

偵測(cè)死鎖，尤其是在大規(guī)模應(yīng)用程式中，可能具有挑戰(zhàn)性。然而，以下方法可以幫助識(shí)別死鎖

• 工具： Java 的 JConsole、VisualVM 以及 IDE 中的執(zhí)行緒分析器可以即時(shí)偵測(cè)死鎖。
• 執(zhí)行緒轉(zhuǎn)儲(chǔ)與日誌：分析執(zhí)行緒轉(zhuǎn)儲(chǔ)可以揭示等待執(zhí)行緒及其所持有的資源。

有關(guān)如何調(diào)試/監(jiān)視死鎖的詳細(xì)概述，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)使用 VisualVM 和 jstack 調(diào)試和監(jiān)視死鎖

4. 預(yù)防死鎖的策略

• 應(yīng)用等待死亡和傷口等待方案
  等待死亡方案：當(dāng)一個(gè)執(zhí)行緒請(qǐng)求另一個(gè)執(zhí)行緒持有的鎖時(shí)，資料庫(kù)會(huì)評(píng)估相對(duì)優(yōu)先權(quán)（通?；睹總€(gè)執(zhí)行緒的時(shí)間戳記）。如果請(qǐng)求執(zhí)行緒的優(yōu)先權(quán)較高，則等待；否則，它會(huì)死掉（重新啟動(dòng)）。
  Wound-Wait 方案：如果請(qǐng)求執(zhí)行緒具有較高優(yōu)先權(quán)，它會(huì)透過(guò)強(qiáng)制釋放鎖來(lái)破壞（搶佔(zhàn)）較低優(yōu)先權(quán)執(zhí)行緒。

• 共享狀態(tài)的不可變物件
  盡可能將共享狀態(tài)設(shè)計(jì)為不可變。由於不可變物件無(wú)法修改，因此它們無(wú)需鎖定即可進(jìn)行並發(fā)訪問(wèn)，從而降低死鎖風(fēng)險(xiǎn)並簡(jiǎn)化程式碼。

• 使用具有逾時(shí)的 tryLock 來(lái)取得鎖定：與標(biāo)準(zhǔn)同步區(qū)塊不同，ReentrantLock 允許使用 tryLock(timeout, unit) 在指定時(shí)間內(nèi)嘗試取得鎖定。如果在此時(shí)間內(nèi)未取得鎖，它將釋放資源，防止無(wú)限期阻塞。
  

ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();

public void acquireLocks() {
    try {
        if (lock1.tryLock(100, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
            try {
                if (lock2.tryLock(100, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                    // Critical section
                }
            } finally {
                lock2.unlock();
            }
        }
    } catch (InterruptedException e) {
        Thread.currentThread().interrupt();
    } finally {
        lock1.unlock();
    }
}

• 鎖定排序與釋放 為鎖獲取設(shè)定嚴(yán)格的全域順序。如果所有執(zhí)行緒以一致的順序取得鎖，則不太可能形成循環(huán)依賴，從而避免死鎖。例如，在整個(gè)程式碼庫(kù)中始終先取得 lock1，然後再取得 lock2。這種做法在較大的應(yīng)用程式中可能具有挑戰(zhàn)性，但對(duì)於降低死鎖風(fēng)險(xiǎn)非常有效。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockOrderingExample {

    private static final Lock lock1 = new ReentrantLock();
    private static final Lock lock2 = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            acquireLocksInOrder(lock1, lock2);
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            acquireLocksInOrder(lock1, lock2);
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
    }

    private static void acquireLocksInOrder(Lock firstLock, Lock secondLock) {
        try {
            firstLock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired lock1");

            secondLock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired lock2");

            // Perform some operations

        } finally {
            secondLock.unlock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released lock2");

            firstLock.unlock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released lock1");
        }
    }
}

• 使用線程安全/並發(fā)集合：Java 的java.util.concurrent 套件提供了常見(jiàn)資料結(jié)構(gòu)（ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList 等）的線程安全實(shí)現(xiàn)，可以在內(nèi)部處理同步，減少需要顯式鎖。這些集合最大限度地減少了死鎖，因?yàn)樗鼈冎荚谑褂脙?nèi)部分區(qū)等技術(shù)來(lái)避免明確鎖定的需要。

• 避免巢狀鎖
  盡量減少在同一塊內(nèi)取得多個(gè)鎖以避免循環(huán)依賴。如果需要嵌套鎖，請(qǐng)使用一致的鎖定順序

軟體工程師的要點(diǎn)

• 每當(dāng)您建立需要鎖定的設(shè)計(jì)時(shí)，就有可能出現(xiàn)死鎖。
• 死鎖是由進(jìn)程之間的依賴關(guān)係循環(huán)引起的阻塞問(wèn)題。沒(méi)有任何行程可以取得進(jìn)展，因?yàn)槊總€(gè)行程都在等待另一個(gè)行程持有的資源，而且沒(méi)有一個(gè)行程可以繼續(xù)釋放資源。
• 死鎖更為嚴(yán)重，因?yàn)樗鼤?huì)完全停止所涉及的進(jìn)程，並且需要打破死鎖循環(huán)才能恢復(fù)。
• 死鎖只有當(dāng)有兩個(gè)不同的鎖時(shí)才會(huì)發(fā)生，即當(dāng)您持有一個(gè)鎖並等待另一個(gè)鎖釋放時(shí)。 （但是，死鎖還有更多條件）。
• 線程安全並不意味著無(wú)死鎖。它僅保證程式碼將根據(jù)其介面進(jìn)行操作，即使是從多個(gè)執(zhí)行緒呼叫時(shí)也是如此。使類別線程安全通常包括添加鎖以確保安全執(zhí)行。

尾奏

無(wú)論您是初學(xué)者還是經(jīng)驗(yàn)豐富的開(kāi)發(fā)人員，了解死鎖對(duì)於在並發(fā)系統(tǒng)中編寫健全、高效的程式碼至關(guān)重要。在本文中，我們探討了死鎖是什麼、原因以及預(yù)防死鎖的實(shí)用方法。透過(guò)實(shí)施有效的資源分配策略、分析任務(wù)依賴性以及利用線程轉(zhuǎn)儲(chǔ)和死鎖檢測(cè)工具等工具，開(kāi)發(fā)人員可以最大限度地降低死鎖風(fēng)險(xiǎn)並優(yōu)化程式碼以實(shí)現(xiàn)平滑的並發(fā)。

當(dāng)我們繼續(xù)了解多執(zhí)行緒的核心概念時(shí)，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注本系列的下一篇文章。我們將深入關(guān)鍵部分，了解如何在多個(gè)執(zhí)行緒之間安全地管理共享資源。我們也將討論競(jìng)爭(zhēng)條件的概念，這是一種常見(jiàn)的並發(fā)問(wèn)題，如果不加以控制，可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的行為和錯(cuò)誤。

透過(guò)每一步，您都會(huì)更深入地了解如何使您的應(yīng)用程式執(zhí)行緒安全、高效且具有彈性。不斷突破多執(zhí)行緒知識(shí)的界限，建立更好、效能更高的軟體！

參考

• Stackoverflow
• 資訊圖表
• 如何偵測(cè)並修復(fù)死鎖

以上是多執(zhí)行緒概念 部分死鎖的詳細(xì)內(nèi)容。更多資訊請(qǐng)關(guān)注PHP中文網(wǎng)其他相關(guān)文章！