多线程——“死锁”

·前言

一、一个线程，一把锁

1.问题介绍

2.可重入锁

二、两个线程，两把锁

1.问题介绍

2.解决方式

三、N个线程，M把锁

1.哲学家就餐问题

2.解决方式

·结尾

·前言

“死锁”是多线程代码中一类常见的问题，加锁是能解决线程安全的问题，但是如果加锁的方式不当，就可能产生“死锁”，本篇文章就会对“死锁”的三个比较常见的场景进行介绍。

一、一个线程，一把锁

1.问题介绍

当你在编程过程中，使用的锁是不可重入锁，并且在同一个线程中对同一把锁进行两次加锁，此时就可能面临“死锁”的状况，代码如下，只不过在Java语言中，锁都是可重入锁，所以并不能演示出“死锁”的效果，不过相关的逻辑可以用Java代码进行表示，如下图所示：

上面这段代码，如果锁是不可重入锁就会出现“死锁”，因为第二次对locker进行加锁时由于locker还没有被第一次加锁操作释放所以会进入阻塞等待，然而想要释放locker必须执行完第一个synchronized中的代码，此时就会进入“死锁”，也就是卡住，利用生活中的例子就像你把钥匙锁在了屋里一样，想要开门就需要钥匙，可是钥匙确被门锁了起来。此时想要解决这种情况，很简单，不在同一个线程中对同一把锁重复加两次就好了，或者使用可重入锁，都可以解决这种问题。

2.可重入锁

Java中的锁是可重入锁，在这里再对可重入锁进行一个简单介绍。

对于可重入锁来说，它的内部会持有两个信息：

当前这个锁是哪个线程持有的
记录加锁次数的计数器

下面再利用上面演示的代码，对Java中可重入锁的执行过程进行详细介绍：在上述对同一把锁进行第二次加锁时，会先判断当前加锁的线程是否是持有锁的线程，如果不是同一个线程，那么就会进行阻塞，如果是同一个线程就只会进行计数器+1的操作，没有其他的操作了。由于Java中的锁是可重入锁，所以上述代码在Java中不会出现死锁的情况。

二、两个线程，两把锁

1.问题介绍

当你创建了两个线程，线程一获取到了锁A，线程二获取到了锁B，接下来线程一尝试获取锁B，线程2尝试获取锁A，这时就会出现“死锁”，一旦出现“死锁”，线程就会“卡住了”，就无法再继续工作，这属于一个严重的bug，下面利用代码对这种情况进行演示：

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        Object A = new Object();
        Object B = new Object();
        Thread t1 = new Thread(()->{
            synchronized (A) {
                try {
                    // sleep 一下,是给 t2 时间,让 t2 获取到 B
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                // 尝试获取 B, 但没有释放 A
                synchronized (B) {
                    System.out.println("线程 1 拿到了两把锁");
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(()->{
            synchronized (B) {
                // sleep 一下, 是给 t1 时间,让 t1 获取到 A
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                // 尝试获取到 A, 并没有释放 B
                synchronized (A) {
                    System.out.println("线程 2 拿到了两把锁");
                }
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

运行结果如下：此时，线程一等线程二释放锁B，线程二等线程一释放锁A，两个线程互不想让，就出现了“死锁”这种状况，这就好比，你把家的钥匙锁在了车里，然而车的钥匙却锁在了家里。

2.解决方式

面对上述的问题，最好的解决方式就是规定加锁的顺序，我们约定先对A加锁，然后在对B加锁，此时问题就会得到解决，按照这个方案对代码进行修改，代码如下：

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        Object A = new Object();
        Object B = new Object();
        Thread t1 = new Thread(()->{
            synchronized (A) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                // 尝试获取 B, 但没有释放 A
                synchronized (B) {
                    System.out.println("线程 1 拿到了两把锁");
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(()->{
            synchronized (A) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                // 尝试获取到 B, 并没有释放 A
                synchronized (B) {
                    System.out.println("线程 2 拿到了两把锁");
                }
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

运行结果：

三、N个线程，M把锁

1.哲学家就餐问题

N个线程，M把锁这种情况有一个非常经典的问题，这就是哲学家就餐问题，下面来简单介绍一下这个问题，如下图所示：

话说从前有五个哲学家，他们坐在桌子前，在他们两两之间放着一根筷子，这里规定每个哲学家只能拿起双手边的两根筷子，此时当一个哲学家要吃锅包肉的时候，坐在他旁边的两个哲学家就需要阻塞等待，只有当这个哲学家吃完的时候，主动放下筷子，他旁边的两个哲学家才能拿到他手里的筷子，这里虽然筷子的数量不充裕，但是也还好，因为每个哲学家除了吃锅包肉以外还要做一件事，就是“思考人生”，这时哲学家就会放下筷子，由于每个哲学家什么时候吃锅包肉，什么时候“思考人生”是不确定的，所以这个模型在一个特殊情况下是不可以正常工作的。

假设，在同一时刻，所有的哲学家都想吃锅包肉了，他们同时抄起了左手的筷子，这个时候他们再想拿右手的筷子，就拿不到了，因为右手的筷子被别的哲学家给拿了，此时，由于所有的哲学家都不想放下已经拿起来的筷子，就要等旁边的哲学家放下筷子，可是没有哲学家吃到锅包肉，也就没有哲学家放下筷子，这样就出现了“死锁”，如下图所示：

在上述问题中，每个哲学家就相当于一个线程，五个筷子就相当于五把锁，哲学家们啥时候吃锅包肉，啥时候“思考人生”这属于“随机调度”，绝大部分情况下是可以正常工作，但是出现上图情况是就会出现“死锁”。

2.解决方式

解决“死锁”的问题，方案有很多种，在解决上述问题前，先解释一下“死锁”产生的四个必要条件（全部具备才可以，缺一不可）：

互斥使用：获取锁的过程是互斥的，一个线程拿到了这把锁，另一个线程也想获取这把锁就需要阻塞等待。
不可抢占：一个线程拿到了锁之后，只能主动解锁，不能让别的线程强行把锁抢走。
请求保持：一个线程拿到了锁A之后，在持有锁A的前提下尝试获取锁B。
循环等待/环路等待：这是一种代码结构。

解决死锁问题，核心思路，破坏上述的必要条件，破坏一个就可以解决，那么这个问题可以从哪里入手呢？首先，第一个互斥使用和第二个不可抢占，这是锁的基本特性，不好破坏，其次，第三个请求保持，这个要看实际代码与实际需求，最后，第四个循环等待，关于代码结构，破坏起来是最容易的，所以我们解决这个问题从第四个必要条件开始。

这里我们只有指定一定的规则，就可以有效的避免循环等待，比如，我们指定加锁的顺序：

针对五把锁，都进行编号，约定每个线程获取锁的时候，一定要先获取编号小的锁，再获取编号大的锁。

这种解决方案，可以如下图所示（为了表示方便，这里对哲学家们也进行了编号）：

图中由于一号哲学家获取了一号筷子，导致二号哲学家想获取编号小的筷子时只能等一号哲学家放下筷子，由于规定必须先获取编号小的筷子后获取编号大的筷子，所以二号哲学家不会获取三号筷子，这样就保证在餐桌上至少会有一位哲学家正在进餐，上述图中表示的只是一种情况，规定完拿筷子的顺序之后就解决了哲学家进餐的问题。

解决哲学家就餐问题其实有很多种方案：

多添置一些额外的筷子
减少一个哲学家
引入计数器，限制最多多少人吃锅包肉
引入拿筷子的规则
利用“银行家算法”

这些方案中，1~3方案虽然不复杂，但是普适性不高，在一些特定需求中不可以使用，第5个方案，确实可以解决“死锁”问题，但是个人并不推荐，因为比较复杂，容易引入新的问题。

·结尾

本篇文章到这就快要结束了，在进行多线程编程时，线程安全是一个让我们感到复杂的问题，“死锁”只是其中问题之一，上述的所有内容都是在对“死锁”的问题进行介绍与解决，如果文章有问题欢迎在评论区进行讨论，如果感觉文章讲述还不错的话，也希望大家能给个三连支持一下~~你们的支持就是我最大的动力，我们下一篇文章再见吧┏(＾0＾)┛