歡迎來到我們的多線程系列的第 3 部分！

• 在第 1 部分中，我們探索了 原子性 和 不變性。
• 在第 2 部分中，我們討論了饑餓。

在這一部分中，我們將深入研究多線程中死鎖的機制。原因是什么，如何識別以及可以使用的預防策略，以避免將代碼變成僵局。應用程序逐漸停止，通常沒有任何明顯的錯誤，讓開發(fā)人員感到困惑，系統(tǒng)凍結。

探索并發(fā)的復雜軌跡

理解死鎖的一個有用的類比是想象一個鐵路網(wǎng)絡，在相交的軌道上有多列火車。

由于每列火車都在等待下一列火車開動，因此沒有一列火車可以繼續(xù)行駛，從而導致僵局。在這種情況下，低效的信號系統(tǒng)讓每趟列車在沒有先確認下一段是否空閑的情況下就進入了各自的路段，從而使所有列車陷入了一個無法打破的循環(huán)。

這個火車示例說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保留資源（軌道部分），但沒有一個可以前進。為了防止這種軟件死鎖，必須實施有效的資源管理策略（類似于更智能的鐵路信號），以避免循環(huán)依賴并確保每個線程的安全通道。

1.什么是死鎖？

死鎖是線程（或進程）無限期阻塞、等待其他線程持有的資源的情況。這種情況會導致無法打破的依賴關系循環(huán)，任何涉及的線程都無法取得進展。在探索檢測、預防和解決方法之前，了解死鎖的基礎知識至關重要。

2. 死鎖發(fā)生的條件

要發(fā)生死鎖，必須同時滿足四個條件，稱為科夫曼條件：

• 互斥：至少一個資源必須以不可共享模式保存，這意味著一次只有一個線程可以使用它。

• 持有并等待：線程必須持有一種資源，并等待獲取其他線程持有的其他資源。

• 無搶占：無法從線程中強行奪走資源。他們必須自愿釋放。

• 循環(huán)等待：存在一個封閉的線程鏈，其中每個線程至少擁有鏈中下一個線程所需的一個資源。

我們用時序圖來理解

在上面的動畫中，

• 線程 A 持有資源 1 并等待資源 2
• 當線程 B 持有資源 2 并等待資源 1

上面共享的所有四個死鎖條件都存在，這會導致無限期的阻塞。打破其中任何一個都可以防止僵局。

3. 檢測/監(jiān)控死鎖

檢測死鎖，尤其是在大規(guī)模應用程序中，可能具有挑戰(zhàn)性。然而，以下方法可以幫助識別死鎖

• 工具： Java 的 JConsole、VisualVM 以及 IDE 中的線程分析器可以實時檢測死鎖。
• 線程轉儲和日志：分析線程轉儲可以揭示等待線程及其所持有的資源。

有關如何調(diào)試/監(jiān)視死鎖的詳細概述，請訪問使用 VisualVM 和 jstack 調(diào)試和監(jiān)視死鎖

4. 預防死鎖的策略

• 應用等待死亡和傷口等待方案
  等待死亡方案：當一個線程請求另一個線程持有的鎖時，數(shù)據(jù)庫會評估相對優(yōu)先級（通?；诿總€線程的時間戳）。如果請求線程的優(yōu)先級較高，則等待；否則，它會死掉（重新啟動）。
  Wound-Wait 方案：如果請求線程具有較高優(yōu)先級，它會通過強制釋放鎖來破壞（搶占）較低優(yōu)先級線程。

• 共享狀態(tài)的不可變對象
  盡可能將共享狀態(tài)設計為不可變。由于不可變對象無法修改，因此它們無需鎖即可進行并發(fā)訪問，從而降低死鎖風險并簡化代碼。

• 使用帶有超時的 tryLock 來獲取鎖：與標準同步塊不同，ReentrantLock 允許使用 tryLock(timeout, unit) 在指定時間內(nèi)嘗試獲取鎖。如果在此時間內(nèi)未獲取鎖，它將釋放資源，防止無限期阻塞。
  

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();
    }
}

• 鎖定排序和釋放 為鎖獲取設置嚴格的全局順序。如果所有線程以一致的順序獲取鎖，則不太可能形成循環(huán)依賴，從而避免死鎖。例如，在整個代碼庫中始終先獲取 lock1，然后再獲取 lock2。這種做法在較大的應用程序中可能具有挑戰(zhàn)性，但對于降低死鎖風險非常有效。

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/并發(fā)集合：Java 的 java.util.concurrent 包提供了常見數(shù)據(jù)結構（ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList 等）的線程安全實現(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，因為它們旨在使用內(nèi)部分區(qū)等技術來避免顯式鎖定的需要。

• 避免嵌套鎖
  盡量減少在同一塊內(nèi)獲取多個鎖以避免循環(huán)依賴。如果需要嵌套鎖，請使用一致的鎖順序

軟件工程師的要點

• 每當您創(chuàng)建需要鎖定的設計時，就有可能出現(xiàn)死鎖。
• 死鎖是由進程之間的依賴關系循環(huán)引起的阻塞問題。沒有進程可以取得進展，因為每個進程都在等待另一個進程持有的資源，并且沒有一個進程可以繼續(xù)釋放資源。
• 死鎖更為嚴重，因為它會完全停止所涉及的進程，并且需要打破死鎖循環(huán)才能恢復。
• 死鎖僅當有兩個不同的鎖時才會發(fā)生，即當您持有一個鎖并等待另一個鎖釋放時。 （但是，死鎖還有更多條件）。
• 線程安全并不意味著無死鎖。它僅保證代碼將根據(jù)其接口進行操作，即使是從多個線程調(diào)用時也是如此。使類線程安全通常包括添加鎖以保證安全執(zhí)行。

尾奏

無論您是初學者還是經(jīng)驗豐富的開發(fā)人員，了解死鎖對于在并發(fā)系統(tǒng)中編寫健壯、高效的代碼至關重要。在本文中，我們探討了死鎖是什么、其原因以及預防死鎖的實用方法。通過實施有效的資源分配策略、分析任務依賴性以及利用線程轉儲和死鎖檢測工具等工具，開發(fā)人員可以最大限度地降低死鎖風險并優(yōu)化代碼以實現(xiàn)平滑的并發(fā)。

當我們繼續(xù)了解多線程的核心概念時，請繼續(xù)關注本系列的下一篇文章。我們將深入關鍵部分，了解如何在多個線程之間安全地管理共享資源。我們還將討論競爭條件的概念，這是一種常見的并發(fā)問題，如果不加以控制，可能會導致不可預測的行為和錯誤。

通過每一步，您都會更深入地了解如何使您的應用程序線程安全、高效且具有彈性。不斷突破多線程知識的界限，構建更好、性能更高的軟件！

參考

• Stackoverflow
• 信息圖表
• 如何檢測和修復死鎖

以上是多線程概念 部分死鎖的詳細內(nèi)容。更多信息請關注PHP中文網(wǎng)其他相關文章！