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在Linux上，你做死鎖分析的簡單方法

作者：佚名
系統(tǒng) Linux 系統(tǒng)運維
死鎖 (deallocks)： 是指兩個或兩個以上的進(jìn)程(線程)在執(zhí)行過程中，因爭奪資源而造成的一種互相等待的現(xiàn)象，若無外力作用，它們都將無法推進(jìn)下去。此時稱系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)或系統(tǒng)產(chǎn)生了死鎖，這些永遠(yuǎn)在互相等待的進(jìn)程(線程)稱為死鎖進(jìn)程(線程)。 由于資源占用是互斥的，當(dāng)某個進(jìn)程提出申請資源后，使得有關(guān)進(jìn)程(線程)在無外力協(xié)助下，永遠(yuǎn)分配不到必需的資源而無法繼續(xù)運行，這就產(chǎn)生了一種特殊現(xiàn)象死鎖。

簡介

死鎖 (deallocks)： 是指兩個或兩個以上的進(jìn)程(線程)在執(zhí)行過程中，因爭奪資源而造成的一種互相等待的現(xiàn)象，若無外力作用，它們都將無法推進(jìn)下去。此時稱系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)或系統(tǒng)產(chǎn)生了死鎖，這些永遠(yuǎn)在互相等待的進(jìn)程(線程)稱為死鎖進(jìn)程(線程)。 由于資源占用是互斥的，當(dāng)某個進(jìn)程提出申請資源后，使得有關(guān)進(jìn)程(線程)在無外力協(xié)助下，永遠(yuǎn)分配不到必需的資源而無法繼續(xù)運行，這就產(chǎn)生了一種特殊現(xiàn)象死鎖。

一種交叉持鎖死鎖的情形，此時執(zhí)行程序中兩個或多個線程發(fā)生***堵塞(等待)，每個線程都在等待被其它線程占用并堵塞了的資源。例如，如果線程 1 鎖住了記錄 A 并等待記錄 B，而線程 2 鎖住了記錄 B 并等待記錄 A，這樣兩個線程就發(fā)生了死鎖現(xiàn)象。在計算機(jī)系統(tǒng)中 , 如果系統(tǒng)的資源分配策略不當(dāng)，更常見的可能是程序員寫的程序有錯誤等，則會導(dǎo)致進(jìn)程因競爭資源不當(dāng)而產(chǎn)生死鎖的現(xiàn)象。

產(chǎn)生死鎖的四個必要條件

(1) 互斥條件：一個資源每次只能被一個進(jìn)程(線程)使用。

(2) 請求與保持條件：一個進(jìn)程(線程)因請求資源而阻塞時，對已獲得的資源保持不放。

(3) 不剝奪條件 : 此進(jìn)程(線程)已獲得的資源，在末使用完之前，不能強行剝奪。

(4) 循環(huán)等待條件 : 多個進(jìn)程(線程)之間形成一種頭尾相接的循環(huán)等待資源關(guān)系。

圖 1. 交叉持鎖的死鎖示意圖：

 

 

 

交叉持鎖的死鎖

 

注釋：在執(zhí)行 func2 和 func4 之后，子線程 1 獲得了鎖 A，正試圖獲得鎖 B，但是子線程 2 此時獲得了鎖 B，正試圖獲得鎖 A，所以子線程 1 和子線程 2 將沒有辦法得到鎖 A 和鎖 B，因為它們各自被對方占有，永遠(yuǎn)不會釋放，所以發(fā)生了死鎖的現(xiàn)象。

使用 pstack 和 gdb 工具對死鎖程序進(jìn)行分析

pstack 在 Linux 平臺上的簡單介紹

pstack 是 Linux(比如 Red Hat Linux 系統(tǒng)、Ubuntu Linux 系統(tǒng)等)下一個很有用的工具，它的功能是打印輸出此進(jìn)程的堆棧信息?？梢暂敵鏊芯€程的調(diào)用關(guān)系棧。

gdb 在 Linux 平臺上的簡單介紹

GDB 是 GNU 開源組織發(fā)布的一個強大的 UNIX 下的程序調(diào)試工具。Linux 系統(tǒng)中包含了 GNU 調(diào)試程序 gdb，它是一個用來調(diào)試 C 和 C++ 程序的調(diào)試器。可以使程序開發(fā)者在程序運行時觀察程序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)存的使用情況 .

gdb 所提供的一些主要功能如下所示：

1 運行程序，設(shè)置能影響程序運行的參數(shù)和環(huán)境 ;

2 控制程序在指定的條件下停止運行;

3 當(dāng)程序停止時，可以檢查程序的狀態(tài);

4 當(dāng)程序 crash 時，可以檢查 core 文件;

5 可以修改程序的錯誤，并重新運行程序;

6 可以動態(tài)監(jiān)視程序中變量的值;

7 可以單步執(zhí)行代碼，觀察程序的運行狀態(tài)。

gdb 程序調(diào)試的對象是可執(zhí)行文件或者進(jìn)程，而不是程序的源代碼文件。然而，并不是所有的可執(zhí)行文件都可以用 gdb 調(diào)試。如果要讓產(chǎn)生的可執(zhí)行文件可以用來調(diào)試，需在執(zhí)行 g++(gcc)指令編譯程序時，加上 -g 參數(shù)，指定程序在編譯時包含調(diào)試信息。調(diào)試信息包含程序里的每個變量的類型和在可執(zhí)行文件里的地址映射以及源代碼的行號。gdb 利用這些信息使源代碼和機(jī)器碼相關(guān)聯(lián)。gdb 的基本命令較多，不做詳細(xì)介紹，大家如果需要進(jìn)一步了解，請參見 gdb 手冊。

清單 1. 測試程序

  1. #include <unistd.h>  
  2. #include <pthread.h>  
  3. #include <string.h>  
  4.  
  5. pthread_mutex_t mutex1 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
  6. pthread_mutex_t mutex2 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
  7. pthread_mutex_t mutex3 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
  8. pthread_mutex_t mutex4 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
  9.  
  10. static int sequence1 = 0;  
  11. static int sequence2 = 0;  
  12.  
  13. int func1()  
  14. {  
  15.    pthread_mutex_lock(&mutex1);  
  16.    ++sequence1;  
  17.    sleep(1);  
  18.    pthread_mutex_lock(&mutex2);  
  19.    ++sequence2;  
  20.    pthread_mutex_unlock(&mutex2);  
  21.    pthread_mutex_unlock(&mutex1);  
  22.  
  23.    return sequence1;  
  24. }  
  25.  
  26. int func2()  
  27. {  
  28.    pthread_mutex_lock(&mutex2);  
  29.    ++sequence2;  
  30.    sleep(1);  
  31.    pthread_mutex_lock(&mutex1);  
  32.    ++sequence1;  
  33.    pthread_mutex_unlock(&mutex1);  
  34.    pthread_mutex_unlock(&mutex2);  
  35.  
  36.    return sequence2;  
  37. }  
  38.  
  39. void* thread1(void* arg)  
  40. {  
  41.    while (1)  
  42.    {  
  43.        int iRetValue = func1();  
  44.  
  45.        if (iRetValue == 100000)  
  46.        {  
  47.            pthread_exit(NULL);  
  48.        }  
  49.    }  
  50. }  
  51.  
  52. void* thread2(void* arg)  
  53. {  
  54.    while (1)  
  55.    {  
  56.        int iRetValue = func2();  
  57.  
  58.        if (iRetValue == 100000)  
  59.        {  
  60.            pthread_exit(NULL);  
  61.        }  
  62.    }  
  63. }  
  64.  
  65. void* thread3(void* arg)  
  66. {  
  67.    while (1)  
  68.    {  
  69.        sleep(1);  
  70.        char szBuf[128];  
  71.        memset(szBuf, 0, sizeof(szBuf));  
  72.        strcpy(szBuf, "thread3");  
  73.    }  
  74. }  
  75.  
  76. void* thread4(void* arg)  
  77. {  
  78.    while (1)  
  79.    {  
  80.        sleep(1);  
  81.        char szBuf[128];  
  82.        memset(szBuf, 0, sizeof(szBuf));  
  83.        strcpy(szBuf, "thread3");  
  84.    }  
  85. }  
  86.  
  87. int main()  
  88. {  
  89.    pthread_t tid[4];  
  90.    if (pthread_create(&tid[0], NULL, &thread1, NULL) != 0)  
  91.    {  
  92.        _exit(1);  
  93.    }  
  94.    if (pthread_create(&tid[1], NULL, &thread2, NULL) != 0)  
  95.    {  
  96.        _exit(1);  
  97.    }  
  98.    if (pthread_create(&tid[2], NULL, &thread3, NULL) != 0)  
  99.    {  
  100.        _exit(1);  
  101.    }  
  102.    if (pthread_create(&tid[3], NULL, &thread4, NULL) != 0)  
  103.    {  
  104.        _exit(1);  
  105.    }  
  106.  
  107.    sleep(5);  
  108.    //pthread_cancel(tid[0]);  
  109.  
  110.    pthread_join(tid[0], NULL);  
  111.    pthread_join(tid[1], NULL);  
  112.    pthread_join(tid[2], NULL);  
  113.    pthread_join(tid[3], NULL);  
  114.  
  115.    pthread_mutex_destroy(&mutex1);  
  116.    pthread_mutex_destroy(&mutex2);  
  117.    pthread_mutex_destroy(&mutex3);  
  118.    pthread_mutex_destroy(&mutex4);  
  119.  
  120.    return 0;  
  121. }  

清單 2. 編譯測試程序

  1. [dyu@xilinuxbldsrv purify]$ g++ -g lock.cpp -o lock -lpthread 

清單 3. 查找測試程序的進(jìn)程號

  1. [dyu@xilinuxbldsrv purify]$ ps -ef|grep lock  
  2.  dyu       6721  5751  0 15:21 pts/3    00:00:00 ./lock  

清單 4. 對死鎖進(jìn)程***次執(zhí)行 pstack(pstack –進(jìn)程號)的輸出結(jié)果

  1. [dyu@xilinuxbldsrv purify]$ pstack 6721  
  2.  Thread 5 (Thread 0x41e37940 (LWP 6722)):  
  3.  #0  0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0  
  4.  #1  0x0000003d1a808e1a in _L_lock_1034 () from /lib64/libpthread.so.0  
  5.  #2  0x0000003d1a808cdc in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0  
  6.  #3  0x0000000000400a9b in func1() ()  
  7.  #4  0x0000000000400ad7 in thread1(void*) ()  
  8.  #5  0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0  
  9.  #6  0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6  
  10.  Thread 4 (Thread 0x42838940 (LWP 6723)):  
  11.  #0  0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0  
  12.  #1  0x0000003d1a808e1a in _L_lock_1034 () from /lib64/libpthread.so.0  
  13.  #2  0x0000003d1a808cdc in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0  
  14.  #3  0x0000000000400a17 in func2() ()  
  15.  #4  0x0000000000400a53 in thread2(void*) ()  
  16.  #5  0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0  
  17.  #6  0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6  
  18.  Thread 3 (Thread 0x43239940 (LWP 6724)):  
  19.  #0  0x0000003d19c9a541 in nanosleep () from /lib64/libc.so.6  
  20.  #1  0x0000003d19c9a364 in sleep () from /lib64/libc.so.6  
  21.  #2  0x00000000004009bc in thread3(void*) ()  
  22.  #3  0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0  
  23.  #4  0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6  
  24.  Thread 2 (Thread 0x43c3a940 (LWP 6725)):  
  25.  #0  0x0000003d19c9a541 in nanosleep () from /lib64/libc.so.6  
  26.  #1  0x0000003d19c9a364 in sleep () from /lib64/libc.so.6  
  27.  #2  0x0000000000400976 in thread4(void*) ()  
  28.  #3  0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0  
  29.  #4  0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6  
  30.  Thread 1 (Thread 0x2b984ecabd90 (LWP 6721)):  
  31.  #0  0x0000003d1a807b35 in pthread_join () from /lib64/libpthread.so.0  
  32.  #1  0x0000000000400900 in main ()  

清單 5. 對死鎖進(jìn)程第二次執(zhí)行 pstack(pstack –進(jìn)程號)的輸出結(jié)果

  1. [dyu@xilinuxbldsrv purify]$ pstack 6721  
  2. Thread 5 (Thread 0x40bd6940 (LWP 6722)):  
  3. #0  0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0  
  4. #1  0x0000003d1a808e1a in _L_lock_1034 () from /lib64/libpthread.so.0  
  5. #2  0x0000003d1a808cdc in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0  
  6. #3  0x0000000000400a87 in func1() ()  
  7. #4  0x0000000000400ac3 in thread1(void*) ()  
  8. #5  0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0  
  9. #6  0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6  
  10. Thread 4 (Thread 0x415d7940 (LWP 6723)):  
  11. #0  0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0  
  12. #1  0x0000003d1a808e1a in _L_lock_1034 () from /lib64/libpthread.so.0  
  13. #2  0x0000003d1a808cdc in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0  
  14. #3  0x0000000000400a03 in func2() ()  
  15. #4  0x0000000000400a3f in thread2(void*) ()  
  16. #5  0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0  
  17. #6  0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6  
  18. Thread 3 (Thread 0x41fd8940 (LWP 6724)):  
  19. #0  0x0000003d19c7aec2 in memset () from /lib64/libc.so.6  
  20. #1  0x00000000004009be in thread3(void*) ()  
  21. #2  0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0  
  22. #3  0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6  
  23. Thread 2 (Thread 0x429d9940 (LWP 6725)):  
  24. #0  0x0000003d19c7ae0d in memset () from /lib64/libc.so.6  
  25. #1  0x0000000000400982 in thread4(void*) ()  
  26. #2  0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0  
  27. #3  0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6  
  28. Thread 1 (Thread 0x2af906fd9d90 (LWP 6721)):  
  29. #0  0x0000003d1a807b35 in pthread_join () from /lib64/libpthread.so.0  
  30. #1  0x0000000000400900 in main ()  

連續(xù)多次查看這個進(jìn)程的函數(shù)調(diào)用關(guān)系堆棧進(jìn)行分析：當(dāng)進(jìn)程吊死時，多次使用 pstack 查看進(jìn)程的函數(shù)調(diào)用堆棧，死鎖線程將一直處于等鎖的狀態(tài)，對比多次的函數(shù)調(diào)用堆棧輸出結(jié)果，確定哪兩個線程(或者幾個線程)一直沒有變化且一直處于等鎖的狀態(tài)(可能存在兩個線程 一直沒有變化)。

輸出分析：

根據(jù)上面的輸出對比可以發(fā)現(xiàn)，線程 1 和線程 2 由***次 pstack 輸出的處在 sleep 函數(shù)變化為第二次 pstack 輸出的處在 memset 函數(shù)。但是線程 4 和線程 5 一直處在等鎖狀態(tài)(pthread_mutex_lock)，在連續(xù)兩次的 pstack 信息輸出中沒有變化，所以我們可以推測線程 4 和線程 5 發(fā)生了死鎖。

Gdb into thread輸出：

清單 6. 然后通過 gdb attach 到死鎖進(jìn)程

  1. (gdb) info thread  
  2.   5 Thread 0x41e37940 (LWP 6722)  0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait ()  
  3.   from /lib64/libpthread.so.0  
  4.   4 Thread 0x42838940 (LWP 6723)  0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait ()  
  5.   from /lib64/libpthread.so.0  
  6.   3 Thread 0x43239940 (LWP 6724)  0x0000003d19c9a541 in nanosleep ()  
  7.  from /lib64/libc.so.6  
  8.   2 Thread 0x43c3a940 (LWP 6725)  0x0000003d19c9a541 in nanosleep ()  
  9.  from /lib64/libc.so.6  
  10.  * 1 Thread 0x2b984ecabd90 (LWP 6721)  0x0000003d1a807b35 in pthread_join ()  
  11.  from /lib64/libpthread.so.0  

清單 7. 切換到線程 5 的輸出

  1. (gdb) thread 5  
  2.  [Switching to thread 5 (Thread 0x41e37940 (LWP 6722))]#0  0x0000003d1a80d4c4 in  
  3.  __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0  
  4.  (gdb) where  
  5.  #0  0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0  
  6.  #1  0x0000003d1a808e1a in _L_lock_1034 () from /lib64/libpthread.so.0  
  7.  #2  0x0000003d1a808cdc in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0  
  8.  #3  0x0000000000400a9b in func1 () at lock.cpp:18  
  9.  #4  0x0000000000400ad7 in thread1 (arg=0x0) at lock.cpp:43  
  10.  #5  0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0  
  11.  #6  0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6  

清單 8. 線程 4 和線程 5 的輸出

  1. (gdb) f 3  
  2.  #3  0x0000000000400a9b in func1 () at lock.cpp:18  
  3.  18          pthread_mutex_lock(&mutex2);  
  4.  (gdb) thread 4  
  5.  [Switching to thread 4 (Thread 0x42838940 (LWP 6723))]#0  0x0000003d1a80d4c4 in  
  6.  __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0  
  7.  (gdb) f 3  
  8.  #3  0x0000000000400a17 in func2 () at lock.cpp:31  
  9.  31          pthread_mutex_lock(&mutex1);  
  10.  (gdb) p mutex1  
  11.  $1 = {__data = {__lock = 2, __count = 0, __owner = 6722, __nusers = 1, __kind = 0,  
  12.  __spins = 0, __list = {__prev = 0x0, __next = 0x0}},  
  13.   __size = "\002\000\000\000\000\000\000\000B\032\000\000\001", '\000' 
  14.  <repeats 26 times>, __align = 2}  
  15.  (gdb) p mutex3  
  16.  $2 = {__data = {__lock = 0, __count = 0, __owner = 0, __nusers = 0,  
  17.  __kind = 0, __spins = 0, __list = {__prev = 0x0, __next = 0x0}},  
  18.  __size = '\000' <repeats 39 times>, __align = 0}  
  19.  (gdb) p mutex2  
  20.  $3 = {__data = {__lock = 2, __count = 0, __owner = 6723, __nusers = 1,  
  21.  __kind = 0, __spins = 0, __list = {__prev = 0x0, __next = 0x0}},  
  22.   __size = "\002\000\000\000\000\000\000\000C\032\000\000\001", '\000' 
  23.  <repeats 26 times>, __align = 2}  
  24.  (gdb)  

從上面可以發(fā)現(xiàn)，線程 4 正試圖獲得鎖 mutex1，但是鎖 mutex1 已經(jīng)被 LWP 為 6722 的線程得到(__owner = 6722)，線程 5 正試圖獲得鎖 mutex2，但是鎖 mutex2 已經(jīng)被 LWP 為 6723 的 得到(__owner = 6723)，從 pstack 的輸出可以發(fā)現(xiàn)，LWP 6722 與線程 5 是對應(yīng)的，LWP 6723 與線程 4 是對應(yīng)的。所以我們可以得出， 線程 4 和線程 5 發(fā)生了交叉持鎖的死鎖現(xiàn)象。查看線程的源代碼發(fā)現(xiàn)，線程 4 和線程 5 同時使用 mutex1 和 mutex2，且申請順序不合理。

總結(jié)

本文簡單介紹了一種在 Linux 平臺下分析死鎖問題的方法，對一些死鎖問題的分析有一定作用。希望對大家有幫助。理解了死鎖的原因，尤其是產(chǎn)生死鎖的四個必要條件，就可以***可能地避免、預(yù)防和解除死鎖。所以，在系統(tǒng)設(shè)計、進(jìn)程調(diào)度等方面注意如何不讓這四個必要條件成立，如何確定資源的合理分配算法，避免進(jìn)程***占據(jù)系統(tǒng)資源。此外，也要防止進(jìn)程在處于等待狀態(tài)的情況下占用資源 , 在系統(tǒng)運行過程中，對進(jìn)程發(fā)出的每一個系統(tǒng)能夠滿足的資源申請進(jìn)行動態(tài)檢查，并根據(jù)檢查結(jié)果決定是否分配資源，若分配后系統(tǒng)可能發(fā)生死鎖，則不予分配，否則予以分配。因此，對資源的分配要給予合理的規(guī)劃，使用有序資源分配法和銀行家算法等是避免死鎖的有效方法。 

責(zé)任編輯：龐桂玉 來源： 嵌入式Linux中文站
Linux死鎖分析方法
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