Java高并發(fā)詳解，死鎖的成因與解決方法
1 死鎖成因
死鎖是在多線程或多進(jìn)程環(huán)境中一種特定的并發(fā)問題。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)線程（或進(jìn)程）相互等待對方所持有的資源時(shí)，就會(huì)發(fā)生死鎖，導(dǎo)致系統(tǒng)無法繼續(xù)執(zhí)行。就是說，死鎖是由于相互等待對方所持有的資源而導(dǎo)致的一種僵局。在這種狀態(tài)下，系統(tǒng)無法繼續(xù)進(jìn)行，不能取得任何進(jìn)展。
在Java中，synchronized關(guān)鍵字用于創(chuàng)建線程安全的類或方法，確保同步方法或同步塊在同一時(shí)間只能由一個(gè)線程訪問，從而防止多線程環(huán)境中的數(shù)據(jù)損壞和競態(tài)條件的發(fā)生。當(dāng)一個(gè)線程正在執(zhí)行同步代碼時(shí)，其他線程必須等待，直到當(dāng)前線程釋放鎖，才能訪問同步資源。這種機(jī)制確保了線程之間的順序執(zhí)行，可避免數(shù)據(jù)不一致的問題。
圖片
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然而，在使用synchronized關(guān)鍵字時(shí)需小心謹(jǐn)慎，因?yàn)榭赡軐?dǎo)致死鎖的問題。當(dāng)多個(gè)線程以不同的順序請求相同的鎖時(shí)，可能會(huì)發(fā)生死鎖。例如，線程A持有鎖A并等待鎖B，而線程B持有鎖B并等待鎖A，它們會(huì)相互等待對方釋放鎖，導(dǎo)致程序無法繼續(xù)執(zhí)行。
Thread A: Lock Resource 1 Wait for Resource 2
Thread B: Lock Resource 2 Wait for Resource 1- 線程A：鎖定資源1，等待資源2
- 線程B：鎖定資源2，等待資源1
例如，假設(shè)有兩個(gè)線程，
- BankTransferExample表示了兩個(gè)線程（transferThread1和transferThread2）在兩個(gè)銀行賬戶之間轉(zhuǎn)賬的場景，鎖/資源（account1和account2）代表了與賬戶1和賬戶2相關(guān)聯(lián)的鎖。
- Lock1和Lock2分別對應(yīng)于與account1和account2相關(guān)聯(lián)的鎖。
- 每個(gè)轉(zhuǎn)賬線程首先獲取一個(gè)賬戶的鎖，在等待一段時(shí)間以模擬工作后，再獲取另一個(gè)賬戶的鎖，然后執(zhí)行轉(zhuǎn)賬操作。
- BankAccount是一個(gè)簡單的表示銀行賬戶的類，具有轉(zhuǎn)賬和存款資金的方法。
以下是代碼示例：
public class BankTransferExample {
public static final Object Lock1 = new Object();
public static final Object Lock2 = new Object();
public static void main(String[] args) {
BankAccount account1 = new BankAccount(1000);
BankAccount account2 = new BankAccount(1500);
Thread transferThread1 = new Thread(() -> {
synchronized (Lock1) {
System.out.println("轉(zhuǎn)賬線程1：獲取鎖1。");
try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
System.out.println("轉(zhuǎn)賬線程1：等待鎖2...");
synchronized (Lock2) {
System.out.println("轉(zhuǎn)賬線程1：獲取鎖1和鎖2。");
account1.transferTo(account2, 200);
}
}
});
Thread transferThread2 = new Thread(() -> {
synchronized (Lock2) {
System.out.println("轉(zhuǎn)賬線程2：獲取鎖2。");
try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
System.out.println("轉(zhuǎn)賬線程2：等待鎖1...");
synchronized (Lock1) {
System.out.println("轉(zhuǎn)賬線程2：獲取鎖1和鎖2。");
account2.transferTo(account1, 100);
}
}
});
transferThread1.start();
transferThread2.start();
}
}
class BankAccount {
private int balance;
public BankAccount(int initialBalance) {
this.balance = initialBalance;
}
public void transferTo(BankAccount targetAccount, int amount) {
if (this.balance >= amount) {
this.balance -= amount;
targetAccount.deposit(amount);
System.out.println("將 $" + amount + " 從一個(gè)賬戶轉(zhuǎn)賬到另一個(gè)賬戶。");
} else {
System.out.println("轉(zhuǎn)賬余額不足。");
}
}
public void deposit(int amount) {
this.balance += amount;
}
}輸出結(jié)果：
Transfer Thread 1: Lock 1 acquired.
Transfer Thread 2: Lock 2 acquired.
Transfer Thread 1: Waiting for Lock 2...
Transfer Thread 2: Waiting for Lock 1...現(xiàn)在，對輸出進(jìn)行解析：
- 轉(zhuǎn)賬線程1：已獲取鎖1。線程1開始執(zhí)行并成功獲取鎖1。
- 轉(zhuǎn)賬線程2：已獲取鎖2。線程2開始執(zhí)行并成功獲取鎖2。
此時(shí)，兩個(gè)線程都已經(jīng)各自獲取了一個(gè)鎖。然而，它們現(xiàn)在需要另一個(gè)鎖來完成交易，從而進(jìn)入等待階段：
- 轉(zhuǎn)賬線程1：等待鎖2
線程1在持有鎖1的同時(shí)，嘗試獲取鎖2以完成交易。然而，鎖2已被線程2獲取，因此線程1被迫等待鎖2釋放。
- 轉(zhuǎn)賬線程2：等待鎖1
類似的，線程2在持有鎖2的同時(shí)，嘗試獲取鎖1以完成交易。然而，鎖1已被線程1獲取，因此線程2被迫等待鎖1釋放。
此時(shí)，兩個(gè)線程都處于等待狀態(tài)，每個(gè)線程都在等待另一個(gè)線程釋放它所需的鎖。由于處于死鎖狀態(tài)，因此兩個(gè)線程都無法繼續(xù)執(zhí)行。
2 預(yù)防死鎖
2.1 鎖的順序
鎖的順序是一種簡單但有效的死鎖預(yù)防技術(shù)。它要求所有線程按照相同的順序獲取鎖。在示例中，有兩個(gè)銀行賬戶，并且多個(gè)線程代表這些賬戶之間的交易。為了避免死鎖，將定義一種一致的順序，以避免循環(huán)等待條件。下面是修改后的代碼：
public class BankTransferExample {
public static final Object Lock1 = new Object();
public static final Object Lock2 = new Object();
public static void main(String[] args) {
BankAccount account1 = new BankAccount(1000);
BankAccount account2 = new BankAccount(1500);
Thread transferThread1 = new Thread(() -> {
synchronized (Lock1) {
System.out.println("轉(zhuǎn)賬線程1：已獲取鎖1。");
try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
System.out.println("轉(zhuǎn)賬線程1：等待鎖2...");
synchronized (Lock2) {
System.out.println("轉(zhuǎn)賬線程1：已獲取鎖1和鎖2。");
account1.transferTo(account2, 200);
}
}
});
Thread transferThread2 = new Thread(() -> {
synchronized (Lock1) {
System.out.println("轉(zhuǎn)賬線程2：已獲取鎖1。");
try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
System.out.println("轉(zhuǎn)賬線程2：等待鎖2...");
synchronized (Lock2) {
System.out.println("轉(zhuǎn)賬線程2：已獲取鎖1和鎖2。");
account2.transferTo(account1, 100);
}
}
});
transferThread1.start();
transferThread2.start();
}
}Transfer Thread 1: Lock 1 acquired.
Transfer Thread 1: Waiting for Lock 2...
Transfer Thread 1: Lock 1 & Lock 2 acquired.
Transferred $200 from one account to another.
Transfer Thread 2: Lock 2 acquired.
Transfer Thread 2: Waiting for Lock 1...
Transfer Thread 2: Lock 1 & Lock 2 acquired.
Transferred $100 from one account to another.這個(gè)銀行賬戶轉(zhuǎn)賬程序如何避免死鎖？
該銀行賬戶轉(zhuǎn)賬程序使用鎖來避免死鎖。兩個(gè)線程，轉(zhuǎn)賬線程1和轉(zhuǎn)賬線程2，都需要獲取鎖1和鎖2才能進(jìn)行轉(zhuǎn)賬。然而，它們以不同的順序獲取鎖。
轉(zhuǎn)賬線程1：
(1)獲取鎖1。
(2)等待鎖2。
(3)獲取鎖2。
(4)從一個(gè)賬戶轉(zhuǎn)賬200美元到另一個(gè)賬戶。
(5)釋放鎖2。
(6)釋放鎖1。
轉(zhuǎn)賬線程2：
(1)獲取鎖2。
(2)等待鎖1。
(3)獲取鎖1。
(4)從一個(gè)賬戶轉(zhuǎn)賬100美元到另一個(gè)賬戶。
(5)釋放鎖1。
(6)釋放鎖2。
這兩個(gè)線程以不同的順序獲取鎖，但釋放鎖的順序與獲取鎖的相反順序相同。這樣可以避免死鎖。
在這種情況下避免死鎖的關(guān)鍵是，兩個(gè)線程按照相同的順序獲取鎖：首先是Lock1，然后是Lock2。鎖獲取順序的一致性確保了一個(gè)線程在另一個(gè)線程釋放鎖之后可以繼續(xù)執(zhí)行，避免了循環(huán)等待條件，從而使兩個(gè)交易都能成功完成。
2.2 使用超時(shí)機(jī)制
使用超時(shí)機(jī)制是預(yù)防死鎖的另一種方式。在獲取鎖時(shí)，線程可以指定一個(gè)超時(shí)時(shí)間。如果在指定的時(shí)間內(nèi)無法獲取鎖，線程將放棄并稍后重試。
這在某些情況下很有用，例如線程正在等待一個(gè)被其他線程持有且無響應(yīng)或被阻塞的鎖。通過使用超時(shí)機(jī)制，線程可以避免進(jìn)入死鎖狀態(tài)。
public class LockTimeoutExample {
public static final Object Lock1 = new Object();
public static final Object Lock2 = new Object();
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
synchronized (Lock1) {
System.out.println("線程1：已獲取鎖1");
try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
if (synchronized (Lock2, 1000)) {
System.out.println("線程1：已獲取鎖2");
} else {
System.out.println("線程1：等待鎖2超時(shí)");
}
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
synchronized (Lock1) {
System.out.println("線程2：已獲取鎖1");
try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
synchronized (Lock2) {
System.out.println("線程2：已獲取鎖2");
}
}
});
thread1.start();
thread2.start();
}
}Thread 1: Acquired Lock1
Thread 2: Acquired Lock1
Thread 2: Acquired Lock2
Thread 1: Timed out waiting for Lock2解釋：
在這個(gè)示例中，線程1在嘗試獲取鎖2時(shí)使用了超時(shí)機(jī)制。這意味著如果在指定的時(shí)間內(nèi)無法獲取鎖，它將打印一條消息并繼續(xù)執(zhí)行。
在這種情況下，線程1能夠獲取鎖1，但無法獲取鎖2。而線程2則能夠獲取兩個(gè)鎖。在線程2獲取鎖2之后，線程1超時(shí)并打印一條消息。
