突然發現我的圖解系統缺了「死鎖」的內容,這就來補下。
在面試過程中,死鎖也是高頻的考點,因爲如果線上環境真多發生了死鎖,那真的出大事了。
這次,我們就來系統地聊聊死鎖的問題。
- 死鎖的概念;
- 模擬死鎖問題的產生;
- 利用工具排查死鎖問題;
- 避免死鎖問題的發生;
死鎖的概念
在多線程編程中,我們爲了防止多線程競爭共享資源而導致數據錯亂,都會在操作共享資源之前加上互斥鎖,只有成功獲得到鎖的線程,才能操作共享資源,獲取不到鎖的線程就只能等待,直到鎖被釋放。
那麼,當兩個線程爲了保護兩個不同的共享資源而使用了兩個互斥鎖,那麼這兩個互斥鎖應用不當的時候,可能會造成兩個線程都在等待對方釋放鎖,在沒有外力的作用下,這些線程會一直相互等待,就沒辦法繼續運行,這種情況就是發生了死鎖。
舉個例子,小林拿了小美房間的鑰匙,而小林在自己的房間裏,小美拿了小林房間的鑰匙,而小美也在自己的房間裏。如果小林要從自己的房間裏出去,必須拿到小美手中的鑰匙,但是小美要出去,又必須拿到小林手中的鑰匙,這就形成了死鎖。
死鎖只有同時滿足以下四個條件纔會發生:
- 互斥條件;
- 持有並等待條件;
- 不可剝奪條件;
- 環路等待條件;
互斥條件
互斥條件是指多個線程不能同時使用同一個資源。
比如下圖,如果線程 A 已經持有的資源,不能再同時被線程 B 持有,如果線程 B 請求獲取線程 A 已經佔用的資源,那線程 B 只能等待,直到線程 A 釋放了資源。
持有並等待條件
持有並等待條件是指,當線程 A 已經持有了資源 1,又想申請資源 2,而資源 2 已經被線程 C 持有了,所以線程 A 就會處於等待狀態,但是線程 A 在等待資源 2 的同時並不會釋放自己已經持有的資源 1。
不可剝奪條件
不可剝奪條件是指,當線程已經持有了資源 ,在自己使用完之前不能被其他線程獲取,線程 B 如果也想使用此資源,則只能在線程 A 使用完並釋放後才能獲取。
環路等待條件
環路等待條件指都是,在死鎖發生的時候,兩個線程獲取資源的順序構成了環形鏈。
比如,線程 A 已經持有資源 2,而想請求資源 1, 線程 B 已經獲取了資源 1,而想請求資源 2,這就形成資源請求等待的環形圖。
模擬死鎖問題的產生
Talk is cheap. Show me the code.
下面,我們用代碼來模擬死鎖問題的產生。
首先,我們先創建 2 個線程,分別爲線程 A 和 線程 B,然後有兩個互斥鎖,分別是 mutex_A 和 mutex_B,代碼如下:
pthread_mutex_t mutex_A = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex_B = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int main()
{
pthread_t tidA, tidB;
//創建兩個線程
pthread_create(&tidA, NULL, threadA_proc, NULL);
pthread_create(&tidB, NULL, threadB_proc, NULL);
pthread_join(tidA, NULL);
pthread_join(tidB, NULL);
printf("exit\n");
return 0;
}
接下來,我們看下線程 A 函數做了什麼。
//線程函數 A
void *threadA_proc(void *data)
{
printf("thread A waiting get ResourceA \n");
pthread_mutex_lock(&mutex_A);
printf("thread A got ResourceA \n");
sleep(1);
printf("thread A waiting get ResourceB \n");
pthread_mutex_lock(&mutex_B);
printf("thread A got ResourceB \n");
pthread_mutex_unlock(&mutex_B);
pthread_mutex_unlock(&mutex_A);
return (void *)0;
}
可以看到,線程 A 函數的過程:
- 先獲取互斥鎖 A,然後睡眠 1 秒;
- 再獲取互斥鎖 B,然後釋放互斥鎖 B;
- 最後釋放互斥鎖 A;
//線程函數 B
void *threadB_proc(void *data)
{
printf("thread B waiting get ResourceB \n");
pthread_mutex_lock(&mutex_B);
printf("thread B got ResourceB \n");
sleep(1);
printf("thread B waiting get ResourceA \n");
pthread_mutex_lock(&mutex_A);
printf("thread B got ResourceA \n");
pthread_mutex_unlock(&mutex_A);
pthread_mutex_unlock(&mutex_B);
return (void *)0;
}
可以看到,線程 B 函數的過程:
- 先獲取互斥鎖 B,然後睡眠 1 秒;
- 再獲取互斥鎖 A,然後釋放互斥鎖 A;
- 最後釋放互斥鎖 B;
然後,我們運行這個程序,運行結果如下:
thread B waiting get ResourceB
thread B got ResourceB
thread A waiting get ResourceA
thread A got ResourceA
thread B waiting get ResourceA
thread A waiting get ResourceB
// 阻塞中。。。
可以看到線程 B 在等待互斥鎖 A 的釋放,線程 A 在等待互斥鎖 B 的釋放,雙方都在等待對方資源的釋放,很明顯,產生了死鎖問題。
利用工具排查死鎖問題
如果你想排查你的 Java 程序是否死鎖,則可以使用 jstack
工具,它是 jdk 自帶的線程堆棧分析工具。
由於小林的死鎖代碼例子是 C 寫的,在 Linux 下,我們可以使用 pstack
+ gdb
工具來定位死鎖問題。
pstack 命令可以顯示每個線程的棧跟蹤信息(函數調用過程),它的使用方式也很簡單,只需要 pstack <pid>
就可以了。
那麼,在定位死鎖問題時,我們可以多次執行 pstack 命令查看線程的函數調用過程,多次對比結果,確認哪幾個線程一直沒有變化,且是因爲在等待鎖,那麼大概率是由於死鎖問題導致的。
我用 pstack 輸出了我前面模擬死鎖問題的進程的所有線程的情況,我多次執行命令後,其結果都一樣,如下:
$ pstack 87746
Thread 3 (Thread 0x7f60a610a700 (LWP 87747)):
#0 0x0000003720e0da1d in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
#1 0x0000003720e093ca in _L_lock_829 () from /lib64/libpthread.so.0
#2 0x0000003720e09298 in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
#3 0x0000000000400725 in threadA_proc ()
#4 0x0000003720e07893 in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#5 0x00000037206f4bfd in clone () from /lib64/libc.so.6
Thread 2 (Thread 0x7f60a5709700 (LWP 87748)):
#0 0x0000003720e0da1d in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
#1 0x0000003720e093ca in _L_lock_829 () from /lib64/libpthread.so.0
#2 0x0000003720e09298 in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
#3 0x0000000000400792 in threadB_proc ()
#4 0x0000003720e07893 in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#5 0x00000037206f4bfd in clone () from /lib64/libc.so.6
Thread 1 (Thread 0x7f60a610c700 (LWP 87746)):
#0 0x0000003720e080e5 in pthread_join () from /lib64/libpthread.so.0
#1 0x0000000000400806 in main ()
....
$ pstack 87746
Thread 3 (Thread 0x7f60a610a700 (LWP 87747)):
#0 0x0000003720e0da1d in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
#1 0x0000003720e093ca in _L_lock_829 () from /lib64/libpthread.so.0
#2 0x0000003720e09298 in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
#3 0x0000000000400725 in threadA_proc ()
#4 0x0000003720e07893 in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#5 0x00000037206f4bfd in clone () from /lib64/libc.so.6
Thread 2 (Thread 0x7f60a5709700 (LWP 87748)):
#0 0x0000003720e0da1d in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
#1 0x0000003720e093ca in _L_lock_829 () from /lib64/libpthread.so.0
#2 0x0000003720e09298 in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
#3 0x0000000000400792 in threadB_proc ()
#4 0x0000003720e07893 in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#5 0x00000037206f4bfd in clone () from /lib64/libc.so.6
Thread 1 (Thread 0x7f60a610c700 (LWP 87746)):
#0 0x0000003720e080e5 in pthread_join () from /lib64/libpthread.so.0
#1 0x0000000000400806 in main ()
可以看到,Thread 2 和 Thread 3 一直阻塞獲取鎖(pthread_mutex_lock)的過程,而且 pstack 多次輸出信息都沒有變化,那麼可能大概率發生了死鎖。
但是,還不能夠確認這兩個線程是在互相等待對方的鎖的釋放,因爲我們看不到它們是等在哪個鎖對象,於是我們可以使用 gdb 工具進一步確認。
整個 gdb 調試過程,如下:
// gdb 命令
$ gdb -p 87746
// 打印所有的線程信息
(gdb) info thread
3 Thread 0x7f60a610a700 (LWP 87747) 0x0000003720e0da1d in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
2 Thread 0x7f60a5709700 (LWP 87748) 0x0000003720e0da1d in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
* 1 Thread 0x7f60a610c700 (LWP 87746) 0x0000003720e080e5 in pthread_join () from /lib64/libpthread.so.0
//最左邊的 * 表示 gdb 鎖定的線程,切換到第二個線程去查看
// 切換到第2個線程
(gdb) thread 2
[Switching to thread 2 (Thread 0x7f60a5709700 (LWP 87748))]#0 0x0000003720e0da1d in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
// bt 可以打印函數堆棧,卻無法看到函數參數,跟 pstack 命令一樣
(gdb) bt
#0 0x0000003720e0da1d in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
#1 0x0000003720e093ca in _L_lock_829 () from /lib64/libpthread.so.0
#2 0x0000003720e09298 in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
#3 0x0000000000400792 in threadB_proc (data=0x0) at dead_lock.c:25
#4 0x0000003720e07893 in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#5 0x00000037206f4bfd in clone () from /lib64/libc.so.6
// 打印第三幀信息,每次函數調用都會有壓棧的過程,而 frame 則記錄棧中的幀信息
(gdb) frame 3
#3 0x0000000000400792 in threadB_proc (data=0x0) at dead_lock.c:25
27 printf("thread B waiting get ResourceA \n");
28 pthread_mutex_lock(&mutex_A);
// 打印mutex_A的值 , __owner表示gdb中標示線程的值,即LWP
(gdb) p mutex_A
$1 = {__data = {__lock = 2, __count = 0, __owner = 87747, __nusers = 1, __kind = 0, __spins = 0, __list = {__prev = 0x0, __next = 0x0}},
__size = "\002\000\000\000\000\000\000\000\303V\001\000\001", '\000' <repeats 26 times>, __align = 2}
// 打印mutex_B的值 , __owner表示gdb中標示線程的值,即LWP
(gdb) p mutex_B
$2 = {__data = {__lock = 2, __count = 0, __owner = 87748, __nusers = 1, __kind = 0, __spins = 0, __list = {__prev = 0x0, __next = 0x0}},
__size = "\002\000\000\000\000\000\000\000\304V\001\000\001", '\000' <repeats 26 times>, __align = 2}
我來解釋下,上面的調試過程:
- 通過
info thread
打印了所有的線程信息,可以看到有 3 個線程,一個是主線程(LWP 87746),另外兩個都是我們自己創建的線程(LWP 87747 和 87748); - 通過
thread 2
,將切換到第 2 個線程(LWP 87748); - 通過
bt
,打印線程的調用棧信息,可以看到有 threadB_proc 函數,說明這個是線程 B 函數,也就說 LWP 87748 是線程 B; - 通過
frame 3
,打印調用棧中的第三個幀的信息,可以看到線程 B 函數,在獲取互斥鎖 A 的時候阻塞了; - 通過
p mutex_A
,打印互斥鎖 A 對象信息,可以看到它被 LWP 爲 87747(線程 A) 的線程持有着; - 通過
p mutex_B
,打印互斥鎖 A 對象信息,可以看到他被 LWP 爲 87748 (線程 B) 的線程持有着;
因爲線程 B 在等待線程 A 所持有的 mutex_A, 而同時線程 A 又在等待線程 B 所擁有的mutex_B, 所以可以斷定該程序發生了死鎖。
避免死鎖問題的發生
前面我們提到,產生死鎖的四個必要條件是:互斥條件、持有並等待條件、不可剝奪條件、環路等待條件。
那麼避免死鎖問題就只需要破環其中一個條件就可以,最常見的並且可行的就是使用資源有序分配法,來破環環路等待條件。
那什麼是資源有序分配法呢?
線程 A 和 線程 B 獲取資源的順序要一樣,當線程 A 是先嚐試獲取資源 A,然後嘗試獲取資源 B 的時候,線程 B 同樣也是先嚐試獲取資源 A,然後嘗試獲取資源 B。也就是說,線程 A 和 線程 B 總是以相同的順序申請自己想要的資源。
我們使用資源有序分配法的方式來修改前面發生死鎖的代碼,我們可以不改動線程 A 的代碼。
我們先要清楚線程 A 獲取資源的順序,它是先獲取互斥鎖 A,然後獲取互斥鎖 B。
所以我們只需將線程 B 改成以相同順序的獲取資源,就可以打破死鎖了。
線程 B 函數改進後的代碼如下:
//線程 B 函數,同線程 A 一樣,先獲取互斥鎖 A,然後獲取互斥鎖 B
void *threadB_proc(void *data)
{
printf("thread B waiting get ResourceA \n");
pthread_mutex_lock(&mutex_A);
printf("thread B got ResourceA \n");
sleep(1);
printf("thread B waiting get ResourceB \n");
pthread_mutex_lock(&mutex_B);
printf("thread B got ResourceB \n");
pthread_mutex_unlock(&mutex_B);
pthread_mutex_unlock(&mutex_A);
return (void *)0;
}
執行結果如下,可以看,沒有發生死鎖。
thread B waiting get ResourceA
thread B got ResourceA
thread A waiting get ResourceA
thread B waiting get ResourceB
thread B got ResourceB
thread A got ResourceA
thread A waiting get ResourceB
thread A got ResourceB
exit
總結
簡單來說,死鎖問題的產生是由兩個或者以上線程並行執行的時候,爭奪資源而互相等待造成的。
死鎖只有同時滿足互斥、持有並等待、不可剝奪、環路等待這四個條件的時候纔會發生。
所以要避免死鎖問題,就是要破壞其中一個條件即可,最常用的方法就是使用資源有序分配法來破壞環路等待條件。