在Linux上，你做死鎖分析的簡(jiǎn)單方法
簡(jiǎn)介
死鎖 (deallocks)： 是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)程(線程)在執(zhí)行過程中，因爭(zhēng)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(shí)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(gè)進(jìn)程提出申請(qǐng)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(yùn)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(shí)執(zhí)行程序中兩個(gè)或多個(gè)線程發(fā)生***堵塞(等待)，每個(gè)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(gè)線程就發(fā)生了死鎖現(xiàn)象。在計(jì)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(cuò)誤等，則會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程因競(jìng)爭(zhēng)資源不當(dāng)而產(chǎn)生死鎖的現(xiàn)象。
產(chǎn)生死鎖的四個(gè)必要條件
(1) 互斥條件：一個(gè)資源每次只能被一個(gè)進(jìn)程(線程)使用。
(2) 請(qǐng)求與保持條件：一個(gè)進(jìn)程(線程)因請(qǐng)求資源而阻塞時(shí)，對(duì)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(qiáng)行剝奪。
(4) 循環(huán)等待條件 : 多個(gè)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：
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(shí)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?yàn)樗鼈兏髯员粚?duì)方占有，永遠(yuǎn)不會(huì)釋放，所以發(fā)生了死鎖的現(xiàn)象。
使用 pstack 和 gdb 工具對(duì)死鎖程序進(jìn)行分析
pstack 在 Linux 平臺(tái)上的簡(jiǎn)單介紹
pstack 是 Linux(比如 Red Hat Linux 系統(tǒng)、Ubuntu Linux 系統(tǒng)等)下一個(gè)很有用的工具，它的功能是打印輸出此進(jìn)程的堆棧信息。可以輸出所有線程的調(diào)用關(guān)系棧。
gdb 在 Linux 平臺(tái)上的簡(jiǎn)單介紹
GDB 是 GNU 開源組織發(fā)布的一個(gè)強(qiáng)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(gè)用來調(diào)試 C 和 C++ 程序的調(diào)試器?？梢允钩绦蜷_發(fā)者在程序運(yùn)行時(shí)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(yùn)行程序，設(shè)置能影響程序運(yùn)行的參數(shù)和環(huán)境 ;
2 控制程序在指定的條件下停止運(yùn)行;
3 當(dāng)程序停止時(shí)，可以檢查程序的狀態(tài);
4 當(dāng)程序 crash 時(shí)，可以檢查 core 文件;
5 可以修改程序的錯(cuò)誤，并重新運(yùn)行程序;
6 可以動(dòng)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(yùn)行狀態(tài)。
gdb 程序調(diào)試的對(duì)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(shí)，加上 -g 參數(shù)，指定程序在編譯時(shí)包含調(diào)試信息。調(diào)試信息包含程序里的每個(gè)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(hào)。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(qǐng)參見 gdb 手冊(cè)。
清單 1. 測(cè)試程序
- #include <unistd.h>
- #include <pthread.h>
- #include <string.h>
- pthread_mutex_t mutex1 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
- pthread_mutex_t mutex2 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
- pthread_mutex_t mutex3 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
- pthread_mutex_t mutex4 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
- static int sequence1 = 0;
- static int sequence2 = 0;
- int func1()
- {
- pthread_mutex_lock(&mutex1);
- ++sequence1;
- sleep(1);
- pthread_mutex_lock(&mutex2);
- ++sequence2;
- pthread_mutex_unlock(&mutex2);
- pthread_mutex_unlock(&mutex1);
- return sequence1;
- }
- int func2()
- {
- pthread_mutex_lock(&mutex2);
- ++sequence2;
- sleep(1);
- pthread_mutex_lock(&mutex1);
- ++sequence1;
- pthread_mutex_unlock(&mutex1);
- pthread_mutex_unlock(&mutex2);
- return sequence2;
- }
- void* thread1(void* arg)
- {
- while (1)
- {
- int iRetValue = func1();
- if (iRetValue == 100000)
- {
- pthread_exit(NULL);
- }
- }
- }
- void* thread2(void* arg)
- {
- while (1)
- {
- int iRetValue = func2();
- if (iRetValue == 100000)
- {
- pthread_exit(NULL);
- }
- }
- }
- void* thread3(void* arg)
- {
- while (1)
- {
- sleep(1);
- char szBuf[128];
- memset(szBuf, 0, sizeof(szBuf));
- strcpy(szBuf, "thread3");
- }
- }
- void* thread4(void* arg)
- {
- while (1)
- {
- sleep(1);
- char szBuf[128];
- memset(szBuf, 0, sizeof(szBuf));
- strcpy(szBuf, "thread3");
- }
- }
- int main()
- {
- pthread_t tid[4];
- if (pthread_create(&tid[0], NULL, &thread1, NULL) != 0)
- {
- _exit(1);
- }
- if (pthread_create(&tid[1], NULL, &thread2, NULL) != 0)
- {
- _exit(1);
- }
- if (pthread_create(&tid[2], NULL, &thread3, NULL) != 0)
- {
- _exit(1);
- }
- if (pthread_create(&tid[3], NULL, &thread4, NULL) != 0)
- {
- _exit(1);
- }
- sleep(5);
- //pthread_cancel(tid[0]);
- pthread_join(tid[0], NULL);
- pthread_join(tid[1], NULL);
- pthread_join(tid[2], NULL);
- pthread_join(tid[3], NULL);
- pthread_mutex_destroy(&mutex1);
- pthread_mutex_destroy(&mutex2);
- pthread_mutex_destroy(&mutex3);
- pthread_mutex_destroy(&mutex4);
- return 0;
- }
清單 2. 編譯測(cè)試程序
- [dyu@xilinuxbldsrv purify]$ g++ -g lock.cpp -o lock -lpthread
清單 3. 查找測(cè)試程序的進(jìn)程號(hào)
- [dyu@xilinuxbldsrv purify]$ ps -ef|grep lock
- dyu 6721 5751 0 15:21 pts/3 00:00:00 ./lock
清單 4. 對(duì)死鎖進(jìn)程***次執(zhí)行 pstack(pstack –進(jìn)程號(hào))的輸出結(jié)果
- [dyu@xilinuxbldsrv purify]$ pstack 6721
- Thread 5 (Thread 0x41e37940 (LWP 6722)):
- #0 0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
- #1 0x0000003d1a808e1a in _L_lock_1034 () from /lib64/libpthread.so.0
- #2 0x0000003d1a808cdc in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
- #3 0x0000000000400a9b in func1() ()
- #4 0x0000000000400ad7 in thread1(void*) ()
- #5 0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
- #6 0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6
- Thread 4 (Thread 0x42838940 (LWP 6723)):
- #0 0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
- #1 0x0000003d1a808e1a in _L_lock_1034 () from /lib64/libpthread.so.0
- #2 0x0000003d1a808cdc in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
- #3 0x0000000000400a17 in func2() ()
- #4 0x0000000000400a53 in thread2(void*) ()
- #5 0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
- #6 0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6
- Thread 3 (Thread 0x43239940 (LWP 6724)):
- #0 0x0000003d19c9a541 in nanosleep () from /lib64/libc.so.6
- #1 0x0000003d19c9a364 in sleep () from /lib64/libc.so.6
- #2 0x00000000004009bc in thread3(void*) ()
- #3 0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
- #4 0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6
- Thread 2 (Thread 0x43c3a940 (LWP 6725)):
- #0 0x0000003d19c9a541 in nanosleep () from /lib64/libc.so.6
- #1 0x0000003d19c9a364 in sleep () from /lib64/libc.so.6
- #2 0x0000000000400976 in thread4(void*) ()
- #3 0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
- #4 0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6
- Thread 1 (Thread 0x2b984ecabd90 (LWP 6721)):
- #0 0x0000003d1a807b35 in pthread_join () from /lib64/libpthread.so.0
- #1 0x0000000000400900 in main ()
清單 5. 對(duì)死鎖進(jìn)程第二次執(zhí)行 pstack(pstack –進(jìn)程號(hào))的輸出結(jié)果
- [dyu@xilinuxbldsrv purify]$ pstack 6721
- Thread 5 (Thread 0x40bd6940 (LWP 6722)):
- #0 0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
- #1 0x0000003d1a808e1a in _L_lock_1034 () from /lib64/libpthread.so.0
- #2 0x0000003d1a808cdc in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
- #3 0x0000000000400a87 in func1() ()
- #4 0x0000000000400ac3 in thread1(void*) ()
- #5 0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
- #6 0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6
- Thread 4 (Thread 0x415d7940 (LWP 6723)):
- #0 0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
- #1 0x0000003d1a808e1a in _L_lock_1034 () from /lib64/libpthread.so.0
- #2 0x0000003d1a808cdc in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
- #3 0x0000000000400a03 in func2() ()
- #4 0x0000000000400a3f in thread2(void*) ()
- #5 0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
- #6 0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6
- Thread 3 (Thread 0x41fd8940 (LWP 6724)):
- #0 0x0000003d19c7aec2 in memset () from /lib64/libc.so.6
- #1 0x00000000004009be in thread3(void*) ()
- #2 0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
- #3 0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6
- Thread 2 (Thread 0x429d9940 (LWP 6725)):
- #0 0x0000003d19c7ae0d in memset () from /lib64/libc.so.6
- #1 0x0000000000400982 in thread4(void*) ()
- #2 0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
- #3 0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6
- Thread 1 (Thread 0x2af906fd9d90 (LWP 6721)):
- #0 0x0000003d1a807b35 in pthread_join () from /lib64/libpthread.so.0
- #1 0x0000000000400900 in main ()
連續(xù)多次查看這個(gè)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(shí)，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(duì)比多次的函數(shù)調(diào)用堆棧輸出結(jié)果，確定哪兩個(gè)線程(或者幾個(gè)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(gè)線程 一直沒有變化)。
輸出分析：
根據(jù)上面的輸出對(duì)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(cè)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
- (gdb) info thread
- 5 Thread 0x41e37940 (LWP 6722) 0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait ()
- from /lib64/libpthread.so.0
- 4 Thread 0x42838940 (LWP 6723) 0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait ()
- from /lib64/libpthread.so.0
- 3 Thread 0x43239940 (LWP 6724) 0x0000003d19c9a541 in nanosleep ()
- from /lib64/libc.so.6
- 2 Thread 0x43c3a940 (LWP 6725) 0x0000003d19c9a541 in nanosleep ()
- from /lib64/libc.so.6
- * 1 Thread 0x2b984ecabd90 (LWP 6721) 0x0000003d1a807b35 in pthread_join ()
- from /lib64/libpthread.so.0
清單 7. 切換到線程 5 的輸出
- (gdb) thread 5
- [Switching to thread 5 (Thread 0x41e37940 (LWP 6722))]#0 0x0000003d1a80d4c4 in
- __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
- (gdb) where
- #0 0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
- #1 0x0000003d1a808e1a in _L_lock_1034 () from /lib64/libpthread.so.0
- #2 0x0000003d1a808cdc in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
- #3 0x0000000000400a9b in func1 () at lock.cpp:18
- #4 0x0000000000400ad7 in thread1 (arg=0x0) at lock.cpp:43
- #5 0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
- #6 0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6
清單 8. 線程 4 和線程 5 的輸出
- (gdb) f 3
- #3 0x0000000000400a9b in func1 () at lock.cpp:18
- 18 pthread_mutex_lock(&mutex2);
- (gdb) thread 4
- [Switching to thread 4 (Thread 0x42838940 (LWP 6723))]#0 0x0000003d1a80d4c4 in
- __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
- (gdb) f 3
- #3 0x0000000000400a17 in func2 () at lock.cpp:31
- 31 pthread_mutex_lock(&mutex1);
- (gdb) p mutex1
- $1 = {__data = {__lock = 2, __count = 0, __owner = 6722, __nusers = 1, __kind = 0,
- __spins = 0, __list = {__prev = 0x0, __next = 0x0}},
- __size = "\002\000\000\000\000\000\000\000B\032\000\000\001", '\000'
- <repeats 26 times>, __align = 2}
- (gdb) p mutex3
- $2 = {__data = {__lock = 0, __count = 0, __owner = 0, __nusers = 0,
- __kind = 0, __spins = 0, __list = {__prev = 0x0, __next = 0x0}},
- __size = '\000' <repeats 39 times>, __align = 0}
- (gdb) p mutex2
- $3 = {__data = {__lock = 2, __count = 0, __owner = 6723, __nusers = 1,
- __kind = 0, __spins = 0, __list = {__prev = 0x0, __next = 0x0}},
- __size = "\002\000\000\000\000\000\000\000C\032\000\000\001", '\000'
- <repeats 26 times>, __align = 2}
- (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(duì)應(yīng)的，LWP 6723 與線程 4 是對(duì)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(shí)使用 mutex1 和 mutex2，且申請(qǐng)順序不合理。
總結(jié)
本文簡(jiǎn)單介紹了一種在 Linux 平臺(tái)下分析死鎖問題的方法，對(duì)一些死鎖問題的分析有一定作用。希望對(duì)大家有幫助。理解了死鎖的原因，尤其是產(chǎn)生死鎖的四個(gè)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(jì)、進(jìn)程調(diào)度等方面注意如何不讓這四個(gè)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(yùn)行過程中，對(duì)進(jìn)程發(fā)出的每一個(gè)系統(tǒng)能夠滿足的資源申請(qǐng)進(jìn)行動(dòng)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(duì)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。
