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C# 死锁预防

介绍

在多线程编程中,死锁(Deadlock)是一个常见的问题。当两个或多个线程相互等待对方释放资源时,程序就会陷入无限等待的状态,导致程序无法继续执行。死锁不仅会影响程序的性能,还可能导致程序崩溃。因此,理解死锁的原因并学会如何预防它是每个C#开发者的必备技能。

什么是死锁?

死锁通常发生在以下四个条件同时满足时:

  1. 互斥条件:资源一次只能被一个线程占用。
  2. 占有并等待:线程持有资源并等待获取其他资源。
  3. 非抢占条件:线程持有的资源不能被其他线程强行抢占。
  4. 循环等待条件:存在一个线程循环链,每个线程都在等待下一个线程所持有的资源。

当这些条件同时满足时,死锁就会发生。

死锁示例

让我们通过一个简单的代码示例来理解死锁是如何发生的。

csharp
using System;
using System.Threading;

class Program
{
static object lock1 = new object();
static object lock2 = new object();

static void Main(string[] args)
{
Thread thread1 = new Thread(() => DoWork1());
Thread thread2 = new Thread(() => DoWork2());

thread1.Start();
thread2.Start();

thread1.Join();
thread2.Join();
}

static void DoWork1()
{
lock (lock1)
{
Thread.Sleep(100); // 模拟工作
lock (lock2)
{
Console.WriteLine("Work1 completed");
}
}
}

static void DoWork2()
{
lock (lock2)
{
Thread.Sleep(100); // 模拟工作
lock (lock1)
{
Console.WriteLine("Work2 completed");
}
}
}
}

在这个示例中,DoWork1DoWork2 两个方法分别锁定了 lock1lock2,然后尝试获取对方的锁。由于两个线程同时运行,它们会相互等待对方释放锁,从而导致死锁。

如何预防死锁?

1. 避免嵌套锁

尽量避免在持有锁的情况下再去获取其他锁。如果必须使用嵌套锁,确保所有线程以相同的顺序获取锁。

csharp
static void DoWork1()
{
lock (lock1)
{
Thread.Sleep(100); // 模拟工作
lock (lock2)
{
Console.WriteLine("Work1 completed");
}
}
}

static void DoWork2()
{
lock (lock1) // 以相同的顺序获取锁
{
Thread.Sleep(100); // 模拟工作
lock (lock2)
{
Console.WriteLine("Work2 completed");
}
}
}

2. 使用超时机制

在获取锁时设置超时时间,如果在一定时间内无法获取锁,则放弃并重试或执行其他操作。

csharp
static void DoWork1()
{
if (Monitor.TryEnter(lock1, TimeSpan.FromMilliseconds(100)))
{
try
{
Thread.Sleep(100); // 模拟工作
if (Monitor.TryEnter(lock2, TimeSpan.FromMilliseconds(100)))
{
try
{
Console.WriteLine("Work1 completed");
}
finally
{
Monitor.Exit(lock2);
}
}
}
finally
{
Monitor.Exit(lock1);
}
}
}

3. 使用 Monitor

Monitor 类提供了更灵活的锁管理机制,可以帮助避免死锁。

csharp
static void DoWork1()
{
bool lock1Taken = false;
bool lock2Taken = false;
try
{
Monitor.TryEnter(lock1, ref lock1Taken);
if (lock1Taken)
{
Thread.Sleep(100); // 模拟工作
Monitor.TryEnter(lock2, ref lock2Taken);
if (lock2Taken)
{
Console.WriteLine("Work1 completed");
}
}
}
finally
{
if (lock2Taken) Monitor.Exit(lock2);
if (lock1Taken) Monitor.Exit(lock1);
}
}

4. 使用 SemaphoreSlim

SemaphoreSlim 是一个轻量级的信号量,可以用来控制对资源的访问,避免死锁。

csharp
static SemaphoreSlim semaphore1 = new SemaphoreSlim(1, 1);
static SemaphoreSlim semaphore2 = new SemaphoreSlim(1, 1);

static void DoWork1()
{
semaphore1.Wait();
try
{
Thread.Sleep(100); // 模拟工作
semaphore2.Wait();
try
{
Console.WriteLine("Work1 completed");
}
finally
{
semaphore2.Release();
}
}
finally
{
semaphore1.Release();
}
}

实际案例

假设你正在开发一个银行转账系统,其中涉及到多个账户之间的转账操作。为了避免死锁,你需要确保所有线程以相同的顺序锁定账户。

csharp
class Account
{
private decimal balance;
private readonly object balanceLock = new object();

public void Transfer(Account target, decimal amount)
{
lock (balanceLock)
{
lock (target.balanceLock)
{
if (balance >= amount)
{
balance -= amount;
target.balance += amount;
}
}
}
}
}

在这个案例中,通过确保所有线程以相同的顺序锁定账户,可以有效地避免死锁。

总结

死锁是多线程编程中的一个常见问题,但通过合理的代码设计和锁管理,可以有效地预防死锁的发生。避免嵌套锁、使用超时机制、Monitor 类和 SemaphoreSlim 都是预防死锁的有效方法。在实际开发中,理解死锁的原因并采取适当的预防措施是至关重要的。

附加资源

练习

  1. 修改上面的死锁示例代码,使其不再发生死锁。
  2. 尝试使用 SemaphoreSlim 来实现一个线程安全的队列。
  3. 编写一个多线程程序,模拟多个账户之间的转账操作,并确保不会发生死锁。