Java并发编程实战(4)- 死锁

在这篇文章中,我们主要讨论一下死锁及其解决办法。

目录

概述

在上一篇文章中,我们讨论了如何使用一个互斥锁去保护多个资源,以银行账户转账为例,当时给出的解决方法是基于Class对象创建互斥锁。

这样虽然解决了同步的问题,但是能在现实中使用吗?答案是不可以,尤其是在高并发的情况下,原因是我们使用的互斥锁的范围太大,以转账为例,我们的做法会锁定整个账户Class对象,这样会导致转账操作只能串行进行,但是在实际场景中,大量的转账操作业务中的双方是不相同的,直接在Class对象级别上加锁是不能接受的。

那如果在对象实例级别上加锁,使用细粒度锁,会有什么问题?可能会发生死锁。

我们接下来看一下造成死锁的原因和可能的解决方案。

死锁案例

什么是死锁?

死锁是指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。

一般来说,当我们使用细粒度锁时,它在提升性能的同时,也可能会导致死锁。

我们还是以银行转账为例,来看一下死锁是如何发生的。

首先,我们先定义个BankAccount对象,来存储基本信息,代码如下。

public class BankAccount {
	private int id;
	private double balance;
	private String password;
	public int getId() {
		return id;
	}
	public void setId(int id) {
		this.id = id;
	}
	public double getBalance() {
		return balance;
	}
	public void setBalance(double balance) {
		this.balance = balance;
	}
}

接下来,我们使用细粒度锁来尝试完成转账操作,代码如下。

public class BankTransferDemo {
	
	public void transfer(BankAccount sourceAccount, BankAccount targetAccount, double amount) {
		synchronized(sourceAccount) {
			synchronized(targetAccount) {
				if (sourceAccount.getBalance() > amount) {
					System.out.println("Start transfer.");
					System.out.println(String.format("Before transfer, source balance:%s, target balance:%s", sourceAccount.getBalance(), targetAccount.getBalance()));
					sourceAccount.setBalance(sourceAccount.getBalance() - amount);
					targetAccount.setBalance(targetAccount.getBalance() + amount);
					System.out.println(String.format("After transfer, source balance:%s, target balance:%s", sourceAccount.getBalance(), targetAccount.getBalance()));
				}
			}
		}
	}
}

我们用下面的代码来做简单测试。

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		BankAccount sourceAccount = new BankAccount();
		sourceAccount.setId(1);
		sourceAccount.setBalance(50000);
		
		BankAccount targetAccount = new BankAccount();
		targetAccount.setId(2);
		targetAccount.setBalance(20000);
		
		BankTransferDemo obj = new BankTransferDemo();
		
		Thread t1 = new Thread(() ->{
			for (int i = 0; i < 10000; i++) {
				obj.transfer(sourceAccount, targetAccount, 1);
			}
		});
		
		Thread t2 = new Thread(() ->{
			for (int i = 0; i < 10000; i++) {
				obj.transfer(targetAccount, sourceAccount, 1);
			}
		});
		
		t1.start();
		t2.start();
		
		t1.join();
		t2.join();
		
		System.out.println("Finished.");
	}

测试代码中包含了2个线程,其中t1线程循环从sourceAccount向targetAccount转账,而t2线程会循环从targetAccount向sourceAccount转账。

从运行结果来看,t1线程中的循环在运行600次左右时,t2线程也创建好,开始循环转账了,这时就会发生死锁,导致t1线程和t2线程都无法继续执行。

我们可以用下面的资源分配图来更直观的描述死锁。

死锁的原因和预防

并发程序一旦死锁,一般没有特别好的办法,很多时候我们只能重启应用,因此,解决死锁问题的最好办法是规避死锁。

我们先来看一下死锁发生的条件,一个叫Coffman的牛人,于1971年在ACM Computing Surveys发表了一篇名为System Deadlocks的文章,他总结了只有以下四个条件全部满足的情况下,才会发生死锁:

  • 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。

通过上述描述,我们能够推导出,只要破坏上面其中一个条件,就可以避免死锁的发生。

但是第一个条件互斥,是不可以被破坏的,否则我们就没有用锁的必要了,那么我们来看如何破坏其他三个条件。

破坏占用且等待条件

如果要破坏占用且等待条件,我们可以尝试一次性申请全部资源,这样就不需要等待了。

在实现过程中,我们需要创建一个新的角色,负责同时申请和同时释放全部资源,我们可以将其称为Allocator。

我们来看一下具体的代码实现。

public class Allocator {
	
	private volatile static Allocator instance;
	
	private Allocator() {}
	
	public static Allocator getInstance() {
		if (instance == null) {
			synchronized(Allocator.class) {
				if (instance == null) {
					instance = new Allocator();
				}
			}
		}
		
		return instance;
	}
	
	private Set<Object> lockObjs = new HashSet<Object>();
	
	public synchronized boolean apply(Object... objs) {
		for (Object obj : objs) {
			if (lockObjs.contains(obj)) {
				return false;
			}
		}
		for (Object obj : objs) {
			lockObjs.add(obj);
		}
		
		return true;
	}
	
	public synchronized void free(Object... objs) {
		for (Object obj : objs) {
			if (lockObjs.contains(obj)) {
				lockObjs.remove(obj);
			}
		}
	}
}

Allocator是一个单例模式,它会使用一个Set对象来保存所有需要处理的资源,然后使用apply()和free()来同时锁定或者释放所有资源,它们会接收不固定参数。

我们来看一下新的transfer()方法应该怎么写。

	public void transfer(BankAccount sourceAccount, BankAccount targetAccount, double amount) {
		Allocator allocator = Allocator.getInstance();
		while(!allocator.apply(sourceAccount, targetAccount));
		try {
			synchronized(sourceAccount) {
				synchronized(targetAccount) {
					if (sourceAccount.getBalance() > amount) {
						System.out.println("Start transfer.");
						System.out.println(String.format("Before transfer, source balance:%s, target balance:%s", sourceAccount.getBalance(), targetAccount.getBalance()));
						sourceAccount.setBalance(sourceAccount.getBalance() - amount);
						targetAccount.setBalance(targetAccount.getBalance() + amount);
						System.out.println(String.format("After transfer, source balance:%s, target balance:%s", sourceAccount.getBalance(), targetAccount.getBalance()));
					}
				}
			}
		}
		finally {
			allocator.free(sourceAccount, targetAccount);
		}
	}

我们可以看到,transfer()方法中,首先获取Allocator实例,然后调用apply(),传入sourceAccount和targetAccount实例,请注意这里使用了while循环,即直到apply()返回true,才会退出循环,此时,Allocator已经锁定了sourceAccount和targetAccount,接下来,我们使用synchronized关键字来锁定sourceAccount和targetAccount,然后执行转账的业务逻辑。这里并不是必须要用synchronized,但是这样做可以避免其他操作来影响转账操作,例如如果转账的过程中对sourceAccount实例进行取钱操作,如果不用synchronized,就有可能引发并发问题。

下面是测试代码。

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		BankAccount sourceAccount = new BankAccount();
		sourceAccount.setId(1);
		sourceAccount.setBalance(50000);
		
		BankAccount targetAccount = new BankAccount();
		targetAccount.setId(2);
		targetAccount.setBalance(20000);
		
		BankTransferDemo obj = new BankTransferDemo();
		
		Thread t1 = new Thread(() ->{
			for (int i = 0; i < 10000; i++) {
				obj.transfer(sourceAccount, targetAccount, 1);
			}
		});
		
		Thread t2 = new Thread(() ->{
			for (int i = 0; i < 10000; i++) {
				obj.transfer(targetAccount, sourceAccount, 1);
			}
		});
		
		t1.start();
		t2.start();
		
		t1.join();
		t2.join();
		
		System.out.println("Finished.");
	}

程序是可以正常执行的,结果和我们预期一致。

在这里,我们需要保证锁对象的不可变性,对于BankAccount对象来说,id属性可以看做是其主键,id相同的BankAccount实例,从业务角度来说,指向的都是同一个账户,但是对于锁对象来说,id相同的不同实例,会产生不同的锁,从而引发并发问题。

我们来看下面修改后的测试代码。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		
		
		BankTransferDemo obj = new BankTransferDemo();
		
		Thread t1 = new Thread(() ->{
			for (int i = 0; i < 10000; i++) {
				// 这里应该从后端获取账户实例,此处只做演示。
				BankAccount sourceAccount = new BankAccount();
				sourceAccount.setId(1);
				sourceAccount.setBalance(50000);
				
				BankAccount targetAccount = new BankAccount();
				targetAccount.setId(2);
				targetAccount.setBalance(20000);
				obj.transfer(sourceAccount, targetAccount, 1);
			}
		});
		
		Thread t2 = new Thread(() ->{
			for (int i = 0; i < 10000; i++) {
				// 这里应该从后端获取账户实例,此处只做演示。
				BankAccount sourceAccount = new BankAccount();
				sourceAccount.setId(1);
				sourceAccount.setBalance(50000);
				
				BankAccount targetAccount = new BankAccount();
				targetAccount.setId(2);
				targetAccount.setBalance(20000);
				obj.transfer(targetAccount, sourceAccount, 1);
			}
		});
		
		t1.start();
		t2.start();
		
		t1.join();
		t2.join();
		
		System.out.println("Finished.");
	}

上述代码中,每次转账都创建新的BankAccount实例,然后将其传入Allocator,这样做,是不能够正常处理的,因为每次使用的互斥锁都作用在不同的实例上,这一点,需要特别注意。

破坏不可抢占条件

破坏不可抢占条件很简单,解决的关键在于能够主动释放它占有的资源,但是synchronized是不能做到这一点的。

synchronized申请资源的时候,如果申请失败,线程会直接进入阻塞状态,什么都不能做,已经锁定的资源也无法释放。

我们可以使用java.util.concurrent包中的Lock对象来实现这一点,相关代码如下。

    private Lock lock = new ReentrantLock();
	
    public void transfer(BankAccount sourceAccount, BankAccount targetAccount, double amount) {
        try {
            lock.lock();
            if (sourceAccount.getBalance() > amount) {
                System.out.println("Start transfer.");
                System.out.println(String.format("Before transfer, source balance:%s, target balance:%s", sourceAccount.getBalance(), targetAccount.getBalance()));
                sourceAccount.setBalance(sourceAccount.getBalance() - amount);
                targetAccount.setBalance(targetAccount.getBalance() + amount);
                System.out.println(String.format("After transfer, source balance:%s, target balance:%s", sourceAccount.getBalance(), targetAccount.getBalance()));
            }
        }
        finally {
            lock.unlock();
        }
    }

破坏循环条件

破坏循环条件,需要对资源进行排序,然后按序申请资源。

我们来看下面的代码。

	public void transfer(BankAccount sourceAccount, BankAccount targetAccount, double amount) {
		BankAccount left = sourceAccount;
		BankAccount right = targetAccount;
		if (sourceAccount.getId() > targetAccount.getId()) {
			left = targetAccount;
			right = sourceAccount;
		}
		synchronized(left) {
			synchronized(right) {
				if (sourceAccount.getBalance() > amount) {
					System.out.println("Start transfer.");
					System.out.println(String.format("Before transfer, source balance:%s, target balance:%s", sourceAccount.getBalance(), targetAccount.getBalance()));
					sourceAccount.setBalance(sourceAccount.getBalance() - amount);
					targetAccount.setBalance(targetAccount.getBalance() + amount);
					System.out.println(String.format("After transfer, source balance:%s, target balance:%s", sourceAccount.getBalance(), targetAccount.getBalance()));
				}
			}
		}
	}

在这里,我们假设BankAccount中的id是主键,我们按照id对sourceAccount和targetAccount进行排序,之后按照id从小到大申请资源,这样就不会有死锁发生了。

我们在解决并发问题的时候,可能会有多种方式,我们需要评估一下各个解决方案,从中选择一个成本最低的方案。

对于我们一直谈论的转账示例,破坏循环条件可能是一个比较好的解决方法。

使用等待-通知机制

我们上面在破坏占用且等待条件时,使用了如下的死循环:

    while(!allocator.apply(sourceAccount, targetAccount));

在并发量不高的情况下,这样写没有问题,但是在高并发的情况下,这样写可能需要循环太多次才能拿到锁,太消耗CPU了,属于蛮干型。

在这种情况下,一种合理的方案是:如果线程要求的条件不满足,那么线程阻塞自己,进入等待状态,当线程要求的条件满足后,通知等待的线程重新执行,这里线程阻塞就避免了循环消耗CPU的问题。

这就是我们要讨论的等待-通知机制。

Java中的等待-通知机制

Java中的等待-通知机制流程是怎样的?

线程首先获取互斥锁,当线程要求的条件不满足时,释放互斥锁,进入等待状态;当要求的条件满足时,通知等待的线程,重新获取互斥锁。

Java使用synchronized关键字配合wait()、notify()、notifyAll()三个方法实现等待-通知机制。

在并发程序中,当一个线程进入临界区后,由于某些条件没有满足,需要进入等待状态,Java对象的wait()方法能够实现这一点。当线程要求的条件满足时,Java对象的notify()和notifyAll()方法就可以通知等待的线程,它会告诉线程,你需要的条件曾经满足过,之所以说曾经,是因为notify()只能保证在通知的那一时刻,条件是满足的,而被通知线程的执行时刻和通知时刻一般不会重合,所以在线程开始执行的时候,可能条件又不满足了。

另外需要注意,被通知的线程重新执行时,还需要获取互斥锁,因为之前在调用wait()方法时,互斥锁已经被释放了。

wait()、notify()和notifyAll()三个方法能够被调用的前提是已经获取了响应的互斥锁,所以这三个方法都是在synchronized{}内部被调用的。

下面我们来看一下修改后的Allocator,其中apply()和free()方法的代码如下。

	public synchronized void apply(Object... objs) {
		for (Object obj : objs) {
			while (lockObjs.contains(obj)) {
				try {
					this.wait();
				} catch (InterruptedException e) {
					System.out.println(e.getMessage());
				}
			}
		}
		for (Object obj : objs) {
			lockObjs.add(obj);
		}
	}
	
	public synchronized void free(Object... objs) {
		for (Object obj : objs) {
			if (lockObjs.contains(obj)) {
				lockObjs.remove(obj);
			}
		}
		this.notifyAll();
	}

对应的transfer()方法的代码如下。

	public void transfer(BankAccount sourceAccount, BankAccount targetAccount, double amount) {
	Allocator allocator = Allocator.getInstance();
	allocator.apply(sourceAccount, targetAccount);
	try {
		synchronized(sourceAccount) {
			synchronized(targetAccount) {
				if (sourceAccount.getBalance() > amount) {
					System.out.println("Start transfer.");
					System.out.println(String.format("Before transfer, source balance:%s, target balance:%s", sourceAccount.getBalance(), targetAccount.getBalance()));
					sourceAccount.setBalance(sourceAccount.getBalance() - amount);
					targetAccount.setBalance(targetAccount.getBalance() + amount);
					System.out.println(String.format("After transfer, source balance:%s, target balance:%s", sourceAccount.getBalance(), targetAccount.getBalance()));
				}
			}
		}
	}
	finally {
		allocator.free(sourceAccount, targetAccount);
	}
}

运行结果和我们期望是一致的。

条件曾经满足

在上述代码中,我们可以发现,apply()方法中的判断条件之前是if,现在改成了while, while (lockObjs.contains(obj)),这样做可以解决条件曾经满足的问题。

因为当wait()返回时,有可能条件已经发生了变化,曾经条件满足,但是现在已经不满足了,所以要重新检验条件是否满足。

这是一种范式,是一种经典的做法。

notify() vs notifyAll()

notify()和notifyAll()有什么区别?

notify()会随机的通知等待队列中的一个线程, 而notifyAll()会通知等待队列中的所有线程。

我们尽量使用notifyAll()方法,因为notify()可能会导致某些线程永远不会被通知到。

假设我们有一个实例,它有资源 A、B、C、D,我们使用实例对象来创建互斥锁。

  • 线程t1申请到了A、B

  • 线程t2申请到了C、D

  • 线程t3试图申请A、B,失败,进入等待队列

  • 线程t4试图申请C、D,失败,进入等待队列

  • 此时,线程t1执行结束,释放锁

  • 线程t1调用实例的notify()来通知等待队列中的线程,有可能被通知的是线程t4,但线程t4申请的是C、D还被线程t2占用,所以线程t4只能继续等待

  • 此时,线程t2执行结束,释放锁

  • 线程t2调用实例的notify()来通知等待队列中的线程,t3或者t4只能有1个被唤醒并正常执行,另外1个则再也没有机会被唤醒

wait()和sleep()的区别

wait()方法与sleep()方法的不同之处在于,wait()方法会释放对象的“锁标志”。当调用某一对象的wait()方法后,会使当前线程暂停执行,并将当前线程放入对象等待池中,直到调用了notify()方法后,将从对象等待池中移出任意一个线程并放入锁标志等待池中,只有锁标志等待池中的线程可以获取锁标志,它们随时准备争夺锁的拥有权。当调用了某个对象的notifyAll()方法,会将对象等待池中的所有线程都移动到该对象的锁标志等待池。

sleep()方法需要指定等待的时间,它可以让当前正在执行的线程在指定的时间内暂停执行,进入阻塞状态,该方法既可以让其他同优先级或者高优先级的线程得到执行的机会,也可以让低优先级的线程得到执行机会。但是sleep()方法不会释放“锁标志”,也就是说如果有synchronized同步块,其他线程仍然不能访问共享数据。

总结一下,wait()和sleep()区别如下。

  • wait()释放资源,sleep()不释放资源

  • wait()需要被唤醒,sleep()不需要

  • wait()是object顶级父类的方法,sleep()则是Thread的方法

wait()和sleep()都会让渡CPU执行时间,等待再次调度!

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