2.2.3 死锁

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2023-12-01

一、死锁产生的条件

一般来说，要出现死锁问题需要满足以下条件：

互斥条件：一个资源每次只能被一个线程使用。
请求与保持条件：一个线程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
不剥夺条件：线程已获得的资源，在未使用完之前，不能强行剥夺。
循环等待条件：若干线程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

在JAVA编程中，有3种典型的死锁类型：
静态的锁顺序死锁，动态的锁顺序死锁，协作对象之间发生的死锁。

二、静态的锁顺序死锁

a和b两个方法都需要获得A锁和B锁。一个线程执行a方法且已经获得了A锁，在等待B锁；另一个线程执行了b方法且已经获得了B锁，在等待A锁。这种状态，就是发生了静态的锁顺序死锁。

//可能发生静态锁顺序死锁的代码
class StaticLockOrderDeadLock {
    private final Object lockA = new Object();
    private final Object lockB = new Object();

    public void a() {
        synchronized (lockA) {
            synchronized (lockB) {
                System.out.println("function a");
            }
        }
    }

    public void b() {
        synchronized (lockB) {
            synchronized (lockA) {
                System.out.println("function b");
            }
        }
    }
}

解决静态的锁顺序死锁的方法就是：所有需要多个锁的线程，都要以相同的顺序来获得锁。

//正确的代码
class StaticLockOrderDeadLock {
    private final Object lockA = new Object();
    private final Object lockB = new Object();

    public void a() {
        synchronized (lockA) {
            synchronized (lockB) {
                System.out.println("function a");
            }
        }
    }

    public void b() {
        synchronized (lockA) {
            synchronized (lockB) {
                System.out.println("function b");
            }
        }
    }
}

三、动态的锁顺序死锁：

动态的锁顺序死锁是指两个线程调用同一个方法时，传入的参数颠倒造成的死锁。如下代码，一个线程调用了transferMoney方法并传入参数accountA,accountB；另一个线程调用了transferMoney方法并传入参数accountB,accountA。此时就可能发生在静态的锁顺序死锁中存在的问题，即：第一个线程获得了accountA锁并等待accountB锁，第二个线程获得了accountB锁并等待accountA锁。

//可能发生动态锁顺序死锁的代码
class DynamicLockOrderDeadLock {
    public void transefMoney(Account fromAccount, Account toAccount, Double amount) {
        synchronized (fromAccount) {
            synchronized (toAccount) {
                //...
                fromAccount.minus(amount);
                toAccount.add(amount);
                //...
            }
        }
    }
}

动态的锁顺序死锁解决方案如下：使用System.identifyHashCode来定义锁的顺序。确保所有的线程都以相同的顺序获得锁。

//正确的代码
class DynamicLockOrderDeadLock {
    private final Object myLock = new Object();

    public void transefMoney(final Account fromAccount, final Account toAccount, final Double amount) {
        class Helper {
            public void transfer() {
                //...
                fromAccount.minus(amount);
                toAccount.add(amount);
                //...
            }
        }
        int fromHash = System.identityHashCode(fromAccount);
        int toHash = System.identityHashCode(toAccount);

        if (fromHash < toHash) {
            synchronized (fromAccount) {
                synchronized (toAccount) {
                    new Helper().transfer();
                }
            }
        } else if (fromHash > toHash) {
            synchronized (toAccount) {
                synchronized (fromAccount) {
                    new Helper().transfer();
                }
            }
        } else {
            synchronized (myLock) {
                synchronized (fromAccount) {
                    synchronized (toAccount) {
                        new Helper().transfer();
                    }
                }
            }
        }

    }
}

四、协作对象之间发生的死锁：

有时，死锁并不会那么明显，比如两个相互协作的类之间的死锁，比如下面的代码：一个线程调用了Taxi对象的setLocation方法，另一个线程调用了Dispatcher对象的getImage方法。此时可能会发生，第一个线程持有Taxi对象锁并等待Dispatcher对象锁，另一个线程持有Dispatcher对象锁并等待Taxi对象锁。

//可能发生死锁
class Taxi {
    private Point location, destination;
    private final Dispatcher dispatcher;

    public Taxi(Dispatcher dispatcher) {
        this.dispatcher = dispatcher;
    }

    public synchronized Point getLocation() {
        return location;
    }

    public synchronized void setLocation(Point location) {
        this.location = location;
        if (location.equals(destination))
            dispatcher.notifyAvailable(this);//外部调用方法，可能等待Dispatcher对象锁
    }
}

class Dispatcher {
    private final Set<Taxi> taxis;
    private final Set<Taxi> availableTaxis;

    public Dispatcher() {
        taxis = new HashSet<Taxi>();
        availableTaxis = new HashSet<Taxi>();
    }

    public synchronized void notifyAvailable(Taxi taxi) {
        availableTaxis.add(taxi);
    }

    public synchronized Image getImage() {
        Image image = new Image();
        for (Taxi t : taxis)
            image.drawMarker(t.getLocation());//外部调用方法，可能等待Taxi对象锁
        return image;
    }
}

上面的代码中， 我们在持有锁的情况下调用了外部的方法，这是非常危险的（可能发生死锁）。为了避免这种危险的情况发生， 我们使用开放调用。如果调用某个外部方法时不需要持有锁，我们称之为开放调用。

解决协作对象之间发生的死锁：需要使用开放调用，即避免在持有锁的情况下调用外部的方法。

//正确的代码
class Taxi {
    private Point location, destination;
    private final Dispatcher dispatcher;

    public Taxi(Dispatcher dispatcher) {
        this.dispatcher = dispatcher;
    }

    public synchronized Point getLocation() {
        return location;
    }

    public void setLocation(Point location) {
        boolean flag = false;
        synchronized (this) {
            this.location = location;
            flag = location.equals(destination);
        }
        if (flag)
            dispatcher.notifyAvailable(this);//使用开放调用
    }
}

class Dispatcher {
    private final Set<Taxi> taxis;
    private final Set<Taxi> availableTaxis;

    public Dispatcher() {
        taxis = new HashSet<Taxi>();
        availableTaxis = new HashSet<Taxi>();
    }

    public synchronized void notifyAvailable(Taxi taxi) {
        availableTaxis.add(taxi);
    }

    public Image getImage() {
        Set<Taxi> copy;
        synchronized (this) {
            copy = new HashSet<Taxi>(taxis);
        }
        Image image = new Image();
        for (Taxi t : copy)
            image.drawMarker(t.getLocation());//使用开放调用
        return image;
    }
}

五、总结

综上，是常见的3种死锁的类型。即：静态的锁顺序死锁，动态的锁顺序死锁，协作对象之间的死锁。在写代码时，要确保线程在获取多个锁时采用一致的顺序。同时，要避免在持有锁的情况下调用外部方法。