死锁问题

Hi，我是阿昌，今天学习记录的是关于死锁问题。

用 Account.class 作为互斥锁，来解决银行业务里面的转账问题，虽然这个方案不存在并发问题，但是所有账户的转账操作都是串行的，例如账户 A 转账户 B、账户 C 转账户 D 这两个转账操作现实世界里是可以并行的，但是在这个方案里却被串行化了，这样的话，性能太差。

试想互联网支付盛行的当下，8 亿网民每人每天一笔交易，每天就是 8 亿笔交易；每笔交易都对应着一次转账操作，8 亿笔交易就是 8 亿次转账操作，也就是说平均到每秒就是近 1 万次转账操作，若所有的转账操作都串行，性能完全不能接受。那下面我们就尝试着把性能提升一下。

一、向现实世界要答案

现实世界里，账户转账操作是支持并发的，而且绝对是真正的并行，银行所有的窗口都可以做转账操作。

只要能仿照现实世界做转账操作，串行的问题就解决了。

试想在古代，没有信息化，账户的存在形式真的就是一个账本，而且每个账户都有一个账本，这些账本都统一存放在文件架上。

银行柜员在给我们做转账时，要去文件架上把转出账本和转入账本都拿到手，然后做转账。这个柜员在拿账本的时候可能遇到以下三种情况：

文件架上恰好有转出账本和转入账本，那就同时拿走；
如果文件架上只有转出账本和转入账本之一，那这个柜员就先把文件架上有的账本拿到手，同时等着其他柜员把另外一个账本送回来；
转出账本和转入账本都没有，那这个柜员就等着两个账本都被送回来。

上面这个过程在编程的世界里怎么实现呢？

其实用两把锁就实现了，转出账本一把，转入账本另一把。

在 transfer() 方法内部，首先尝试锁定转出账户 this（先把转出账本拿到手），然后尝试锁定转入账户 target（再把转入账本拿到手），只有当两者都成功时，才执行转账操作。

这个逻辑可以图形化为下图这个样子。

在这里插入图片描述
而至于详细的代码实现，如下所示。

经过这样的优化后，账户 A 转账户 B 和账户 C 转账户 D 这两个转账操作就可以并行了。


class Account {
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    // 锁定转出账户
    synchronized(this) {              
      // 锁定转入账户
      synchronized(target) {           
        if (this.balance > amt) {
          this.balance -= amt;
          target.balance += amt;
        }
      }
    }
  } 
}

二、没有免费的午餐

上面的实现看上去很完美，并且也算是将锁用得出神入化了。

相对于用 Account.class 作为互斥锁，锁定的范围太大，而锁定两个账户范围就小多了，这样的锁，之前聊过，叫细粒度锁。

使用细粒度锁可以提高并行度，是性能优化的一个重要手段。

这个时候可能你已经开始警觉了，使用细粒度锁这么简单，有这样的好事，是不是也要付出点什么代价啊？

编写并发程序就需要这样时时刻刻保持谨慎。

的确，使用细粒度锁是有代价的，这个代价就是可能会导致死锁。

在详细介绍死锁之前，先看看现实世界里的一种特殊场景。

如果有客户找柜员张三做个转账业务：

账户 A 转账户 B 100 元，此时另一个客户找柜员李四也做个转账业务：

账户 B 转账户 A 100 元，于是张三和李四同时都去文件架上拿账本，这时候有可能凑巧张三拿到了账本 A，李四拿到了账本 B。

张三拿到账本 A 后就等着账本 B（账本 B 已经被李四拿走），而李四拿到账本 B 后就等着账本 A（账本 A 已经被张三拿走），他们要等多久呢？

他们会永远等待下去…因为张三不会把账本 A 送回去，李四也不会把账本 B 送回去。

姑且称为死等吧。

在这里插入图片描述

现实世界里的死等，就是编程领域的死锁了。

死锁的一个比较专业的定义是：

一组互相竞争资源的线程因互相等待，导致“永久”阻塞的现象。

上面转账的代码是怎么发生死锁的呢？

假设线程 T1 执行账户 A 转账户 B 的操作，账户 A.transfer(账户 B)；

同时线程 T2 执行账户 B 转账户 A 的操作，账户 B.transfer(账户 A)。

当 T1 和 T2 同时执行完①处的代码时，T1 获得了账户 A 的锁（对于 T1，this 是账户 A），而 T2 获得了账户 B 的锁（对于 T2，this 是账户 B）。

之后 T1 和 T2 在执行②处的代码时，T1 试图获取账户 B 的锁时，发现账户 B 已经被锁定（被 T2 锁定），所以 T1 开始等待；

T2 则试图获取账户 A 的锁时，发现账户 A 已经被锁定（被 T1 锁定），所以 T2 也开始等待。于是 T1 和 T2 会无期限地等待下去，也就是我们所说的死锁了。


class Account {
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    // 锁定转出账户
    synchronized(this){     ①
      // 锁定转入账户
      synchronized(target){ ②
        if (this.balance > amt) {
          this.balance -= amt;
          target.balance += amt;
        }
      }
    }
  } 
}

关于这种现象，还可以借助资源分配图来可视化锁的占用情况（资源分配图是个有向图，它可以描述资源和线程的状态）。

其中，资源用方形节点表示，线程用圆形节点表示；

资源中的点指向线程的边表示线程已经获得该资源，线程指向资源的边则表示线程请求资源，但尚未得到。

转账发生死锁时的资源分配图就如下图所示，一个“各据山头死等”的尴尬局面。

在这里插入图片描述

三、如何预防死锁

并发程序一旦死锁，一般没有特别好的方法，很多时候只能重启应用。

因此，解决死锁问题最好的办法还是规避死锁。

那如何避免死锁呢？要避免死锁就需要分析死锁发生的条件，有个叫 Coffman 的牛人早就总结过了，只有以下这四个条件都发生时才会出现死锁：

互斥，共享资源 X 和 Y 只能被一个线程占用；
占有且等待，线程 T1 已经取得共享资源 X，在等待共享资源 Y 的时候，不释放共享资源 X；
不可抢占，其他线程不能强行抢占线程 T1 占有的资源；
循环等待，线程 T1 等待线程 T2 占有的资源，线程 T2 等待线程 T1 占有的资源，就是循环等待。

反过来分析，也就是说只要破坏其中一个，就可以成功避免死锁的发生。

其中，互斥这个条件没有办法破坏，因为我们用锁为的就是互斥。

不过其他三个条件都是有办法破坏掉的，到底如何做呢？

对于“占用且等待”这个条件，可以一次性申请所有的资源，这样就不存在等待了。
对于“不可抢占”这个条件，占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源，这样不可抢占这个条件就破坏掉了。
对于“循环等待”这个条件，可以靠按序申请资源来预防。所谓按序申请，是指资源是有线性顺序的，申请的时候可以先申请资源序号小的，再申请资源序号大的，这样线性化后自然就不存在循环了。

已经从理论上解决了如何预防死锁，那具体如何体现在代码上呢？

下面就来尝试用代码实践一下这些理论。

1、破坏占用且等待条件

从理论上讲，要破坏这个条件，可以一次性申请所有资源。

在现实世界里，就拿前面我们提到的转账操作来讲，它需要的资源有两个，一个是转出账户，另一个是转入账户，当这两个账户同时被申请时，该怎么解决这个问题呢？

可以增加一个账本管理员，然后只允许账本管理员从文件架上拿账本，也就是说柜员不能直接在文件架上拿账本，必须通过账本管理员才能拿到想要的账本。

例如，张三同时申请账本 A 和 B，账本管理员如果发现文件架上只有账本 A，这个时候账本管理员是不会把账本 A 拿下来给张三的，只有账本 A 和 B 都在的时候才会给张三。这样就保证了“一次性申请所有资源”。

在这里插入图片描述
对应到编程领域，“同时申请”这个操作是一个临界区，也需要一个角色（Java 里面的类）来管理这个临界区，我们就把这个角色定为 Allocator。

它有两个重要功能，分别是：

同时申请资源 apply() 和同时释放资源 free()。

账户 Account 类里面持有一个 Allocator 的单例（必须是单例，只能由一个人来分配资源）。

当账户 Account 在执行转账操作的时候，首先向 Allocator 同时申请转出账户和转入账户这两个资源，成功后再锁定这两个资源；

当转账操作执行完，释放锁之后，需通知 Allocator 同时释放转出账户和转入账户这两个资源。具体的代码实现如下。


class Allocator {
  private List<Object> als =
    new ArrayList<>();
  // 一次性申请所有资源
  synchronized boolean apply(
    Object from, Object to){
    if(als.contains(from) ||
         als.contains(to)){
      return false;  
    } else {
      als.add(from);
      als.add(to);  
    }
    return true;
  }
  // 归还资源
  synchronized void free(
    Object from, Object to){
    als.remove(from);
    als.remove(to);
  }
}

class Account {
  // actr应该为单例
  private Allocator actr;
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    // 一次性申请转出账户和转入账户，直到成功
    while(!actr.apply(this, target))
      ；
    try{
      // 锁定转出账户
      synchronized(this){              
        // 锁定转入账户
        synchronized(target){           
          if (this.balance > amt){
            this.balance -= amt;
            target.balance += amt;
          }
        }
      }
    } finally {
      actr.free(this, target)
    }
  } 
}

2、破坏不可抢占条件

破坏不可抢占条件看上去很简单，核心是要能够主动释放它占有的资源，这一点 synchronized 是做不到的。

原因是 synchronized 申请资源的时候，如果申请不到，线程直接进入阻塞状态了，而线程进入阻塞状态，啥都干不了，也释放不了线程已经占有的资源。

可能会质疑，“Java 作为排行榜第一的语言，这都解决不了？”

怀疑很有道理，Java 在语言层次确实没有解决这个问题，不过在 SDK 层面还是解决了的，java.util.concurrent 这个包下面提供的 Lock 是可以轻松解决这个问题的。

3、破坏循环等待条件

破坏这个条件，需要对资源进行排序，然后按序申请资源。

这个实现非常简单，假设每个账户都有不同的属性 id，这个 id 可以作为排序字段，申请的时候，可以按照从小到大的顺序来申请。

比如下面代码中，①~⑥处的代码对转出账户（this）和转入账户（target）排序，然后按照序号从小到大的顺序锁定账户。

这样就不存在“循环”等待了。


class Account {
  private int id;
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    Account left = this        ①
    Account right = target;    ②
    if (this.id > target.id) { ③
      left = target;           ④
      right = this;            ⑤
    }                          ⑥
    // 锁定序号小的账户
    synchronized(left){
      // 锁定序号大的账户
      synchronized(right){ 
        if (this.balance > amt){
          this.balance -= amt;
          target.balance += amt;
        }
      }
    }
  } 
}