并发编程之死锁解析

作者:莫那·鲁道

个人网站:http://thinkinjava.cn

前言

在 Java 的并发编程中,有一个问题需要特别注意,那就是死锁,如果发生了死锁,基本就是重启,而重启将会丢失运行中的数据。所以,了解死锁的形成并排查死锁到预防死锁成了一个重要的问题。

我们了解任何一个事情的步骤是:what,how,why,why not。

1. 什么是死锁?

我们还是直接写一段代码来看看:

package hello;

public class DeadLock {

  public static void main(String[] args) {

    new Thread(() -> {
      try {
         new DeadLock().resource1();
      } catch (InterruptedException e) {
      }
    }
    ).start();

    new Thread(() -> {
      try {
         new DeadLock().resource2();
      } catch (InterruptedException e) {
      }
    }
    ).start();
  }

  void resource1() throws InterruptedException {

    synchronized ("resource1") {
      System.out.println("获取资源1");
       // 等待 1 秒让另一个线程拿到锁
      Thread.sleep(1000);
      resource2();
    }


  }

  void resource2() throws InterruptedException {
    synchronized ("resource2") {
      System.out.println("获取资源2");
      // 等待 1 秒让另一个线程拿到锁
      Thread.sleep(1000);
      resource1();
    }
  }
}

上面的代码中,我们启用了两个线程,分别抢占2个资源,但这两个资源又分别被不同的对象(字符串)锁住了。当第一个线程调用 resource1 方法,进入同步块,拿到锁,并等待 1 秒钟让另一个线程进入 resource2 同步块,当第二个线程进入同步块后,注意:此时, 拿着 resourec1 锁的线程企图拿到 resource2 的锁,但这个时候,拿着 resource2 的线程也想去拿 resource1 的锁。于是就出现了互相僵持的情况,谁也无法拿到对方的锁,整个系统就卡死了。

这种情况就是死锁。

像我们现在写的代码是自己故意造出来的死锁,我们能够发现,那如果是线上环境怎么办,假如我们的系统卡死了,我们怎么知道到底是哪一段代码出现了问题,有没有可能使死锁的问题。也就是如何检测死锁。

2. 如何检测死锁?

由于死锁极难通过人工的方式查出来,因此JDK 提供了命令来检测某个java进程中心线程的情况,并排查有没有死锁。上面命令呢? jps , 用来查看java 程序的进程号,当然在 Linux 中也可以通过别的方式获取, jstack 进程号命令则可以答应对应进程的栈信息,并找到死锁。

我们就刚刚的程序,在 windows 上使用该命令。

C:Usersstateis0>jps
11060
2084 Launcher
10712 RemoteMavenServer
18040 Jps
11820 DeadLock





C:Usersstateis0>jstack 11820
2017-12-29 18:52:38
Full thread dump Java HotSpot(TM) Client VM (25.131-b11 mixed mode):

"DestroyJavaVM" #11 prio
=5 os_prio=0 tid=0x051fe800 nid=0x1e0c waiting on condition [0x00000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"Thread-1" #10 prio=5 os_prio=0 tid=0x18777800 nid=0x5664 waiting for monitor entry [0x18e0f000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
        at hello.DeadLock.resource1(DeadLock.java:31)
        - waiting to lock <0x07415a50> (a java.lang.String)
        at hello.DeadLock.resource2(DeadLock.java:43)
        - locked <0x0742bd18> (a java.lang.String)
        at hello.DeadLock.lambda$main$1(DeadLock.java:20)
        at hello.DeadLock$$Lambda$2/4983748.run(Unknown Source)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

"Thread-0" #9 prio=5 os_prio=0 tid=0x18776c00 nid=0x4dc4 waiting for monitor entry [0x18d7f000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
        at hello.DeadLock.resource2(DeadLock.java:41)
        - waiting to lock <0x0742bd18> (a java.lang.String)
        at hello.DeadLock.resource1(DeadLock.java:33)
        - locked <0x07415a50> (a java.lang.String)
        at hello.DeadLock.lambda$main$0(DeadLock.java:11)
        at hello.DeadLock$$Lambda$1/5592464.run(Unknown Source)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

"Service Thread" #8 daemon prio=9 os_prio=0 tid=0x186e4c00 nid=0x172c runnable [0x00000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"C1 CompilerThread0" #7 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x186af000 nid=0x53f8 waiting on condition [0x00000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"Monitor Ctrl-Break" #6 daemon prio=5 os_prio=0 tid=0x1861e800 nid=0x3928 runnable [0x18b3f000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE
        at java.net.SocketInputStream.socketRead0(Native Method)
        at java.net.SocketInputStream.socketRead(SocketInputStream.java:116)
        at java.net.SocketInputStream.read(SocketInputStream.java:171)
        at java.net.SocketInputStream.read(SocketInputStream.java:141)
        at sun.nio.cs.StreamDecoder.readBytes(StreamDecoder.java:284)
        at sun.nio.cs.StreamDecoder.implRead(StreamDecoder.java:326)
        at sun.nio.cs.StreamDecoder.read(StreamDecoder.java:178)
        - locked <0x07861da0> (a java.io.InputStreamReader)
        at java.io.InputStreamReader.read(InputStreamReader.java:184)
        at java.io.BufferedReader.fill(BufferedReader.java:161)
        at java.io.BufferedReader.readLine(BufferedReader.java:324)
        - locked <0x07861da0> (a java.io.InputStreamReader)
        at java.io.BufferedReader.readLine(BufferedReader.java:389)
        at com.intellij.rt.execution.application.AppMainV2$1.run(AppMainV2.java:64)

"Attach Listener" #5 daemon prio=5 os_prio=2 tid=0x179c0800 nid=0x40a0 waiting on condition [0x00000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"Signal Dispatcher" #4 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x17985c00 nid=0x5004 runnable [0x00000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"Finalizer" #3 daemon prio=8 os_prio=1 tid=0x17972400 nid=0x41a8 in Object.wait() [0x17cff000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
        at java.lang.Object.wait(Native Method)
        - waiting on <0x0ca1b830> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)
        at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:143)
        - locked <0x0ca1b830> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)
        at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:164)
        at java.lang.ref.Finalizer$FinalizerThread.run(Finalizer.java:209)

"Reference Handler" #2 daemon prio=10 os_prio=2 tid=0x17960000 nid=0x4ef0 in Object.wait() [0x17c6f000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
        at java.lang.Object.wait(Native Method)
        - waiting on <0x0ca1b9d0> (a java.lang.ref.Reference$Lock)
        at java.lang.Object.wait(Object.java:502)
        at java.lang.ref.Reference.tryHandlePending(Reference.java:191)
        - locked <0x0ca1b9d0> (a java.lang.ref.Reference$Lock)
        at java.lang.ref.Reference$ReferenceHandler.run(Reference.java:153)

"VM Thread" os_prio=2 tid=0x1795a800 nid=0x3f54 runnable

"VM Periodic Task Thread" os_prio=2 tid=0x18739400 nid=0x4a14 waiting on condition

JNI global references: 229

// 找到一个死锁
Found one Java-level deadlock:
=============================
"Thread-1":
  waiting to lock monitor 0x17978de4 (object 0x07415a50, a java.lang.String),
  which is held by "Thread-0"
"Thread-0":
  waiting to lock monitor 0x1797a974 (object 0x0742bd18, a java.lang.String),
  which is held by "Thread-1"

Java stack information for the threads listed above:
===================================================
"Thread-1":
        at hello.DeadLock.resource1(DeadLock.java:31)
         // 等待 0x07415a50 锁
        - waiting to lock <0x07415a50> (a java.lang.String)
        at hello.DeadLock.resource2(DeadLock.java:43)
        // 持有 0x0742bd18
        - locked <0x0742bd18> (a java.lang.String)
        at hello.DeadLock.lambda$main$1(DeadLock.java:20)
        at hello.DeadLock$$Lambda$2/4983748.run(Unknown Source)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
"Thread-0":
        at hello.DeadLock.resource2(DeadLock.java:41)
        // 等待 0x0742bd18 锁
        - waiting to lock <0x0742bd18> (a java.lang.String)
        at hello.DeadLock.resource1(DeadLock.java:33)
        // 持有 0x07415a50
        - locked <0x07415a50> (a java.lang.String)
        at hello.DeadLock.lambda$main$0(DeadLock.java:11)
        at hello.DeadLock$$Lambda$1/5592464.run(Unknown Source)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

// 发现了一个死锁
Found 1 deadlock.


C:Usersstateis0>

Thread-1 waiting to lock <0x07415a50> locked <0x0742bd18> Thread-0 waiting to lock <0x0742bd18> locked <0x07415a50>

我们首先使用 jps 命令找到 java 进程号,然后使用 jstack 进程号 打印进程栈的信息,其中,在最后的部分,jstack 告诉我们,他找到了一个死锁,其中又详细的信息:Thread-1 线程(这里我们没有给线程其合适的名字,如果在线上,给线程起一个合适的名字将更有利于排查)持有 String 类型的编号为 0x07415a50 的锁,等待编号为 0x07415a50 的锁 , 但这个锁由 Thread-0 持有,于此同时,Thread-0 和 Thread-1 相反。Thread-0 线程持有 0x07415a50 的锁,等待 0x07415a50 的锁。我们的注释里也写上了。

那么发生了死锁,该怎么办呢?最简单的办法就是重启,重启之后,对 jstack 中打印的堆栈信息中的代码进行修改。重新发布。当然还有一些高级策略,比如让进程回滚到死锁前的状态,然后让他们顺序进入同步块。

3. 死锁有哪些形成的原因

一般来说,要出现死锁问题需要满足以下条件:

  1. 互斥条件:一个资源每次只能被一个线程使用。

  2. 请求与保持条件:一个进程因请求资源而阻塞时,对已获得的资源保持不放。

  3. 不剥夺条件:进程已获得的资源,在未使用完之前,不能强行剥夺。

  4. 循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

死锁是由四个必要条件导致的,所以一般来说,只要破坏这四个必要条件中的一个条件,死锁情况就应该不会发生。

如果想要打破互斥条件,我们需要允许进程同时访问某些资源,这种方法受制于实际场景,不太容易实现条件;

打破不可抢占条件,这样需要允许进程强行从占有者那里夺取某些资源,或者简单一点理解,占有资源的进程不能再申请占有其他资源,必须释放手上的资源之后才能发起申请,这个其实也很难找到适用场景;

进程在运行前申请得到所有的资源,否则该进程不能进入准备执行状态。这个方法看似有点用处,但是它的缺点是可能导致资源利用率和进程并发性降低;

避免出现资源申请环路,即对资源事先分类编号,按号分配。这种方式可以有效提高资源的利用率和系统吞吐量,但是增加了系统开销,增大了进程对资源的占用时间。

4 总结

并发编程中的坑很多,尤其死锁,造成的问题基本只能靠重启来解决,如果遇到了数据保存在内存中但没有持久化的话,那么重启将出现很大的问题。因此我们在用锁的时候,一定要小心。避免出现死锁,如果出现了死锁,则可以使用 jstack 命令查看线程是否有死锁。用以排查问题。

总之并发的坑很多,楼主以后将会多多分析。


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