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死锁原理与预防

什么是死锁?

死锁(Deadlock)是多线程编程中常见的问题,指的是两个或多个线程在执行过程中,因为争夺资源而造成的一种互相等待的现象。如果没有外部干预,这些线程将永远无法继续执行下去。

死锁通常发生在多个线程需要同时持有多个锁的情况下。如果每个线程都持有一个锁,并且试图获取另一个线程已经持有的锁,那么它们就会陷入死锁状态。

死锁的四个必要条件

死锁的发生需要满足以下四个条件,通常称为“死锁四要素”:

  1. 互斥条件:资源一次只能被一个线程占用。
  2. 占有并等待:线程已经持有了至少一个资源,并且正在等待获取其他被占用的资源。
  3. 非抢占条件:线程已经持有的资源不能被其他线程强行抢占,必须由线程自行释放。
  4. 循环等待条件:存在一个线程等待的循环链,每个线程都在等待下一个线程所持有的资源。

只有当这四个条件同时满足时,死锁才会发生。

死锁的代码示例

以下是一个简单的死锁示例,展示了两个线程互相等待对方释放锁的情况:

java
public class DeadlockExample {
private static final Object lock1 = new Object();
private static final Object lock2 = new Object();

public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
synchronized (lock1) {
System.out.println("Thread 1: Holding lock 1...");
try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
System.out.println("Thread 1: Waiting for lock 2...");
synchronized (lock2) {
System.out.println("Thread 1: Holding lock 1 and lock 2...");
}
}
});

Thread thread2 = new Thread(() -> {
synchronized (lock2) {
System.out.println("Thread 2: Holding lock 2...");
try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
System.out.println("Thread 2: Waiting for lock 1...");
synchronized (lock1) {
System.out.println("Thread 2: Holding lock 2 and lock 1...");
}
}
});

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

输出结果

Thread 1: Holding lock 1...
Thread 2: Holding lock 2...
Thread 1: Waiting for lock 2...
Thread 2: Waiting for lock 1...

在这个例子中,thread1持有lock1并试图获取lock2,而thread2持有lock2并试图获取lock1。由于两个线程都在等待对方释放锁,因此它们陷入了死锁状态。

如何预防死锁?

要预防死锁,我们需要打破死锁的四个必要条件中的至少一个。以下是几种常见的预防死锁的策略:

1. 避免嵌套锁

尽量避免在持有一个锁的同时去获取另一个锁。如果必须使用多个锁,确保所有线程以相同的顺序获取锁。

2. 使用超时机制

在获取锁时设置超时时间。如果线程在指定时间内无法获取锁,则放弃并释放已经持有的锁,然后重试。

3. 使用锁排序

为所有锁定义一个全局的获取顺序,并要求所有线程按照这个顺序获取锁。这样可以避免循环等待的发生。

4. 使用高级并发工具

Java 提供了许多高级并发工具,如java.util.concurrent包中的ReentrantLockSemaphore,它们可以帮助你更灵活地管理锁和资源。

实际案例:银行转账

假设我们有一个银行系统,需要处理多个账户之间的转账操作。每个账户都有一个锁,用于保护账户余额的并发访问。如果我们不小心处理锁的顺序,就可能导致死锁。

java
public class BankTransfer {
private static final Object lock1 = new Object();
private static final Object lock2 = new Object();

public static void transfer(Object fromAccount, Object toAccount, double amount) {
synchronized (fromAccount) {
synchronized (toAccount) {
// 执行转账操作
System.out.println("Transfer complete: " + amount);
}
}
}

public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> transfer(lock1, lock2, 100.0));
Thread thread2 = new Thread(() -> transfer(lock2, lock1, 200.0));

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

在这个例子中,如果thread1thread2同时执行转账操作,它们可能会互相等待对方释放锁,从而导致死锁。

解决方案:锁排序

为了避免死锁,我们可以为账户定义一个唯一的排序规则,例如按照账户的哈希值排序,然后按照这个顺序获取锁。

java
public class BankTransfer {
private static final Object lock1 = new Object();
private static final Object lock2 = new Object();

public static void transfer(Object fromAccount, Object toAccount, double amount) {
Object firstLock = fromAccount.hashCode() < toAccount.hashCode() ? fromAccount : toAccount;
Object secondLock = fromAccount.hashCode() < toAccount.hashCode() ? toAccount : fromAccount;

synchronized (firstLock) {
synchronized (secondLock) {
// 执行转账操作
System.out.println("Transfer complete: " + amount);
}
}
}

public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> transfer(lock1, lock2, 100.0));
Thread thread2 = new Thread(() -> transfer(lock2, lock1, 200.0));

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

通过这种方式,我们可以确保所有线程都按照相同的顺序获取锁,从而避免死锁的发生。

总结

死锁是多线程编程中一个常见且棘手的问题。了解死锁的原理及其四个必要条件,可以帮助我们更好地识别和预防死锁。通过避免嵌套锁、使用超时机制、锁排序和高级并发工具,我们可以有效地减少死锁的发生。

附加资源与练习

  • 练习:尝试修改上面的银行转账示例,使其能够处理多个账户之间的并发转账操作,并确保不会发生死锁。
  • 进一步阅读:阅读 Java 官方文档中关于java.util.concurrent包的介绍,了解更多关于并发工具的使用方法。
提示

记住,预防死锁的关键在于设计良好的锁策略和资源管理。在编写多线程程序时,始终要考虑到潜在的并发问题,并采取适当的预防措施。