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Java中死锁与活锁的具体实现

2024-04-02 19:04:59 854人浏览安东尼

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摘要

目录活锁与死锁活锁死锁死锁的四个必要条件互斥条件请求和保持条件不剥夺条件环路等待条件死锁示例死锁排查总结一下如何避免死锁预防死锁设置加锁顺序活锁示例解决活锁活锁与死锁活锁活锁同样

活锁与死锁

活锁

活锁同样会发生在多个相互协作的线程间，当他们为了彼此间的响应而相互礼让，使得没有一个线程能够继续前进，那么就发生了活锁。同死锁一样，发生活锁的线程无法继续执行。

相当于两个在半路相遇的人：出于礼貌他们相互礼让，避开对方的路，但是在另一条路上又相遇了。就这样，不停地一直避让下去。。。。

死锁

两个或更多线程阻塞着等待其它处于死锁状态的线程所持有的锁。死锁通常发生在多个线程同时但以不同的顺序请求同一组锁的时候，死锁会让你的程序挂起无法完成任务。

死锁的四个必要条件

在 Java 中使用多线程，就会有可能导致死锁问题。死锁会让程序一直卡住，不再程序往下执行。我们只能通过中止并重启的方式来让程序重新执行。这是我们非常不愿意看到的一种现象，我们要尽可能避免死锁的情况发生！

互斥条件

指进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的进程用完释放。

请求和保持条件

指进程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。

不剥夺条件

指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。

环路等待条件

指在发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链，即进程集合{A，B，C，···，Z} 中的A正在等待一个B占用的资源；B正在等待C占用的资源，……，Z正在等待已被A占用的资源。

死锁示例


@SuppressWarnings("all")
public class DeadLock implements Runnable {
  public int flag = 1;

  
  private static final Object bread = new Object();

  
  private static final Object water = new Object();

  @Override
  public void run() {
    if (flag == 1) {
      // 先吃面包再喝水，环路等待条件
      synchronized (bread) {
        try {
          Thread.sleep(500);
        } catch (Exception e) {
          e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("面包吃了，等喝水。。。");
        synchronized (water) {
          System.out.println("面包吃了，水也喝到了");
        }
      }
    }
    if (flag == 0) {
      // 先喝水再吃面包，环路等待条件
      synchronized (water) {
        try {
          Thread.sleep(500);
        } catch (Exception e) {
          e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("喝完水，等吃面包了。。。");
        synchronized (bread) {
          System.out.println("喝完水，面包也吃完了。。。");
        }
      }
    }
  }

  public static void main(String[] args) {
    DeadLock lockBread = new DeadLock();
    DeadLock lockWater = new DeadLock();
    lockBread.flag = 1;
    lockWater.flag = 0;
    // lockBread,lockWater 都处于可执行状态，但 JVM 线程调度先执行哪个线程是不确定的。
    // lockWater 的 run() 可能在 lockBread 的 run() 之前运行
    new Thread(lockBread).start();
    new Thread(lockWater).start();
  }
}

程序运行结果：

喝完水，等吃面包了。。。
面包吃了，等喝水。。。

死锁排查

先执行上面的代码，再进行排查！

1、使用 jps -l

D:\workspace-code\gitee\dolphin>jps -l
7072 org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher
8824 sun.tools.jps.Jps
17212
4012 com.dolphin.thread.locks.DeadLock
6684 org.jetbrains.idea.Maven.server.RemoteMavenServer36

4012 com.dolphin.thread.locks.DeadLock，粘贴进程号 4012

2、使用 jstack 4012

... ...
Java stack infORMation for the threads listed above:
===================================================
"Thread-1":
        at com.dolphin.thread.locks.DeadLock.run(DeadLock.java:40)
        - waiting to lock <0x000000076bf9e3D8> (a java.lang.Object)
        - locked <0x000000076bf9e3e8> (a java.lang.Object)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
"Thread-0":
        at com.dolphin.thread.locks.DeadLock.run(DeadLock.java:26)
        - waiting to lock <0x000000076bf9e3e8> (a java.lang.Object)
        - locked <0x000000076bf9e3d8> (a java.lang.Object)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

Found 1 deadlock.

从打印信息我们可以看出：

Found 1 deadlock：发现一个死锁；
Thread-1 locked <0x000000076bf9e3e8> waiting to lock <0x000000076bf9e3d8>：线程1，锁住了 0x000000076bf9e3e8 等待 0x000000076bf9e3d8 锁；
Thread-0 locked <0x000000076bf9e3d8> waiting to lock <0x000000076bf9e3e8>：线程0，锁住了 0x000000076bf9e3d8 等待 0x000000076bf9e3e8 锁；

总结一下

当 DeadLock 类的对象 flag=1 时（lockBread），先锁定 bread，睡眠500毫秒；
而 lockBread 在睡眠的时候另一个 flag==0 的对象（lockWater）线程启动，先锁定 water，睡眠500毫秒；
lockBread 睡眠结束后需要锁定 water 才能继续执行，而此时 water 已被 lockWater 锁定；
lockWater 睡眠结束后需要锁定 bread 才能继续执行，而此时 bread 已被 lockBread 锁定；
lockBread、lockWater 相互等待，都需要得到对方锁定的资源才能继续执行，从而死锁；

如何避免死锁

预防死锁

其实就是破坏死锁的四个必要条件！！！

破坏互斥条件：使资源同时访问而非互斥使用，就没有进程会阻塞在资源上，从而不发生死锁。
破坏请求和保持条件：采用静态分配的方式，静态分配的方式是指进程必须在执行之前就申请需要的全部资源，且直至所要的资源全部得到满足后才开始执行，只要有一个资源得不到分配，也不给这个进程分配其他的资源。
破坏不剥夺条件：即当某进程获得了部分资源，但得不到其它资源，则释放已占有的资源，但是只适用于内存和处理器资源。
破坏循环等待条件：给系统的所有资源编号，规定进程请求所需资源的顺序必须按照资源的编号依次进行。

设置加锁顺序

两个线程试图以不同的顺序来获得相同的锁，如果按照相同的顺序来请求锁，那么就不会出现循环的加锁依赖性，因此也就不会产生死锁，每个需要锁面包和锁水的线程都以相同的顺序来获取面包和水，那么就不会发生死锁了，如下图所示：

根据上图我们修改一下之前写的死锁代码，消除死锁！

@Override
public void run() {
    if (flag == 1) {
        // 先吃面包再喝水，环路等待条件
        synchronized (bread) {
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("面包吃了，等喝水。。。");
        }

        synchronized (water) {
            System.out.println("面包吃了，水也喝到了");
        }
    }
    if (flag == 0) {
        // 先喝水再吃面包，环路等待条件
        synchronized (water) {
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("喝完水，等吃面包了。。。");
        }

        synchronized (bread) {
            System.out.println("喝完水，面包也吃完了。。。");
        }
    }
}

程序运行结果：

喝完水，等吃面包了。。。
面包吃了，等喝水。。。
面包吃了，水也喝到了
喝完水，面包也吃完了。。。

这样就可以消除死锁发生~~~

活锁示例

import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;


public class LiveLock {
  static ReentrantLock bread = new ReentrantLock();
  static ReentrantLock water = new ReentrantLock();

  public static void main(String[] args) {
    String name = ManagementFactory.getRuntimeMXBean().getName();
    String pid = name.split("@")[0];
    System.out.println("Pid is:" + pid);
    System.out.println("jstack " + pid);

    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();

    executorService.submit(
        () -> {
          try {
            // 尝试获得 bread 锁
            while (bread.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS)) {
              System.out.println("拿到面包了，等着拿水。。。");
              TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

              // 判断 water 是否被锁住，如果锁住，退出！再次尝试获取 water 锁
              boolean locked = water.isLocked();
              if (locked) {
                bread.unlock();
                continue;
              }

              // 尝试获得 water 锁
              boolean w = water.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS);
              // 如果没有获取到 water 锁，释放 bread 锁，再次尝试！
              if (!w) {
                bread.unlock();
                continue;
              }
              System.out.println("拿到水了");
              break;
            }
            System.out.println("吃面包，喝水！");
          } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("线程中断");
          } finally {
            water.unlock();
            bread.unlock();
          }
        });

    executorService.submit(
        () -> {
          try {
            while (water.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS)) {
              System.out.println("拿到水了，等着拿面包。。。");
              TimeUnit.SECONDS.sleep(2);

              // 判断 bread 是否被锁住，如果锁住，退出！再次尝试获取 bread 锁
              boolean locked = bread.isLocked();
              if (locked) {
                water.unlock();
                continue;
              }

              // 尝试获得 bread 锁
              boolean b = bread.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS);
              // 如果没有获取到 bread 锁，释放 water 锁，再次尝试！
              if (!b) {
                water.unlock();
                continue;
              }
              System.out.println("拿到面包了");
              break;
            }
            System.out.println("喝水，吃面包！");
          } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("线程中断");
          } finally {
            bread.unlock();
            water.unlock();
          }
        });
    executorService.shutdown();
  }
}

程序运行结果：

Pid is:8788
jstack 8788
拿到面包了，等着拿水。。。
拿到水了，等着拿面包。。。
拿到面包了，等着拿水。。。
拿到水了，等着拿面包。。。
拿到面包了，等着拿水。。。
拿到面包了，等着拿水。。。
拿到水了，等着拿面包。。。

已经输出打印了 Pid，尝试自己用 jstack 调试一下吧！可以参考如何排查死锁的章节~

解决活锁

锁让出的时候添加随机睡眠时间

修改上面的程序，参考下面的代码：

executorService.submit(
        () -> {
          try {
            // 尝试获得 bread 锁
            while (bread.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS)) {
              System.out.println("拿到面包了，等着拿水。。。");
              TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

              // 判断 water 是否被锁住，如果锁住，退出！再次尝试获取 water 锁
              boolean locked = water.isLocked();
              if (locked) {
                bread.unlock();
                // 避免活锁
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);
                continue;
              }

              // 尝试获得 water 锁
              boolean w = water.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS);
              // 如果没有获取到 water 锁，释放 bread 锁，再次尝试！
              if (!w) {
                bread.unlock();
                continue;
              }
              System.out.println("拿到水了");
              break;
            }
            System.out.println("吃面包，喝水！");
          } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("线程中断");
          } finally {
            water.unlock();
            bread.unlock();
          }
        });

executorService.submit(
    () -> {
        try {
            while (water.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS)) {
                System.out.println("拿到水了，等着拿面包。。。");
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);

                // 判断 bread 是否被锁住，如果锁住，退出！再次尝试获取 bread 锁
                boolean locked = bread.isLocked();
                if (locked) {
                    water.unlock();
                    // 避免活锁
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1500);
                    continue;
                }

                // 尝试获得 bread 锁
                boolean b = bread.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS);
                // 如果没有获取到 bread 锁，释放 water 锁，再次尝试！
                if (!b) {
                    water.unlock();
                    continue;
                }
                System.out.println("拿到面包了");
                break;
            }
            System.out.println("喝水，吃面包！");
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("线程中断");
        } finally {
            bread.unlock();
            water.unlock();
        }
    });
executorService.shutdown();

程序输出结果：