如何避免死鎖？我們有套路可循

作者：日拱一兵 2019-10-29 16:10:55

開發(fā) 后端

粗粒度鎖我們不提倡，所以會使用細粒度鎖，但使用細粒度鎖的時候，我們要嚴格按照 Coffman 的四大條件來逐條判斷，這樣再應用我們這幾個解決方案來解決就好了。

寫在前面

上一篇文章共享資源那么多，如何用一把鎖保護多個資源？文章我們談到了銀行轉賬經(jīng)典案例，其中有兩個問題:

單純的用 synchronized 方法起不到保護作用(不能保護 target)
用 Account.class 鎖方案，鎖的粒度又過大，導致涉及到賬戶的所有操作(取款，轉賬，修改密碼等)都會變成串行操作

如何解決這兩個問題呢？咱們先換好衣服穿越回到過去尋找一下錢莊，一起透過現(xiàn)象看本質，dengdeng deng.......

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來到錢莊，告訴柜員你要給鐵蛋兒轉 100 銅錢，這時柜員轉身在墻上尋找你和鐵蛋兒的賬本，此時柜員可能面臨三種情況:

理想狀態(tài): 你和鐵蛋兒的賬本都是空閑狀態(tài)，一起拿回來，在你的賬本上減 100 銅錢，在鐵蛋兒賬本上加 100 銅錢，柜員轉身將賬本掛回到墻上，完成你的業(yè)務
尷尬狀態(tài): 你的賬本在，鐵蛋兒的賬本被其他柜員拿出去給別人轉賬，你要等待其他柜員把鐵蛋兒的賬本歸還
抓狂狀態(tài): 你的賬本不在，鐵蛋兒的賬本也不在，你只能等待兩個賬本都歸還

放慢柜員的取賬本操作，他一定是先拿到你的賬本，然后再去拿鐵蛋兒的賬本，兩個賬本都拿到(理想狀態(tài))之后才能完成轉賬，用程序模型來描述一下這個拿取賬本的過程:

我們繼續(xù)用程序代碼描述一下上面這個模型:

class Account {  
  private int balance;  
  // 轉賬  
  void transfer(Account target, int amt){  
    // 鎖定轉出賬戶  
    synchronized(this) {                
      // 鎖定轉入賬戶  
      synchronized(target) {   
         if (this.balance > amt) {  
          this.balance -= amt;  
          target.balance += amt;  
        }  
      }  
    }  
  }   
}

這個解決方案看起來很不錯，解決了文章開頭說的兩個問題，但真是這樣嗎？

我們剛剛說過的理想狀態(tài)是錢莊只有一個柜員(既單線程)。隨著錢莊規(guī)模變大，墻上早已掛了非常多個賬本，錢莊為了應對繁忙的業(yè)務，開通了多個窗口，此時有多個柜員(多線程)處理錢莊業(yè)務。

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柜員 1 正在辦理給鐵蛋兒轉賬的業(yè)務，但只拿到了你的賬本；柜員 2 正在辦理鐵蛋兒給你轉賬的業(yè)務，但只拿到了鐵蛋兒的賬本，此時雙方出現(xiàn)了尷尬狀態(tài)，兩位柜員都在等待對方歸還賬本為當前客戶辦理轉賬業(yè)務。

現(xiàn)實中柜員會溝通，喊出一嗓子老鐵，鐵蛋兒的賬本先給我用一下，用完還給你，但程序卻沒這么智能，synchronized 內置鎖非常執(zhí)著，它會告訴你「死等」的道理，最終出現(xiàn)死鎖

Java 有了 synchronized 內置鎖，還發(fā)明了顯示鎖 Lock，是不是就為了治一治 synchronized 「死等」的執(zhí)著呢？😏

解決方案

如何解決上面的問題呢？正所謂知己知彼方能百戰(zhàn)不殆，我們要先了解什么情況會發(fā)生死鎖，才能知道如何避免死鎖，很幸運我們可以站在巨人的肩膀上看待問題

Coffman 總結出了四個條件說明可以發(fā)生死鎖的情形:

Coffman 條件

互斥條件：指進程對所分配到的資源進行排它性使用，即在一段時間內某資源只由一個進程占用。如果此時還有其它進程請求資源，則請求者只能等待，直至占有資源的進程用畢釋放。

請求和保持條件：指進程已經(jīng)保持至少一個資源，但又提出了新的資源請求，而該資源已被其它進程占有，此時請求進程阻塞，但又對自己已獲得的其它資源保持不放。

不可剝奪條件：指進程已獲得的資源，在未使用完之前，不能被剝奪，只能在使用完時由自己釋放。

環(huán)路等待條件：指在發(fā)生死鎖時，必然存在一個進程——資源的環(huán)形鏈，即進程集合{P1，P2，···，Pn}中的 P1 正在等待一個 P2 占用的資源；P2 正在等待 P3 占用的資源，……，Pn 正在等待已被 P0 占用的資源。

這幾個條件很好理解，其中「互斥條件」是并發(fā)編程的根基，這個條件沒辦法改變。但其他三個條件都有改變的可能，也就是說破壞另外三個條件就不會出現(xiàn)上面說到的死鎖問題

破壞請求和保持條件

每個柜員都可以取放賬本，很容易出現(xiàn)互相等待的情況。要想破壞請求和保持條件，就要一次性拿到所有資源。

作為程序猿你一定聽過這句話:

任何軟件工程遇到的問題都可以通過增加一個中間層來解決

我們不允許柜員都可以取放賬本，賬本要由單獨的賬本管理員來管理

也就是說賬本管理員拿取賬本是臨界區(qū)，如果只拿到其中之一的賬本，那么不會給柜員，而是等待柜員下一次詢問是否兩個賬本都在

//賬本管理員  
public class AccountBookManager {  
    synchronized boolean getAllRequiredAccountBook( Object from, Object to){  
        if(拿到所有賬本){  
            return true;  
        } else{  
            return false;  
        }  
    }  
    // 歸還資源  
    synchronized void releaseObtainedAccountBook(Object from, Object to){  
        歸還獲取到的賬本  
    }  
}  
public class Account {  
    //單例的賬本管理員  
    private AccountBookManager accountBookManager;  
    public void transfer(Account target, int amt){  
        // 一次性申請轉出賬戶和轉入賬戶，直到成功  
        while(!accountBookManager.getAllRequiredAccountBook(this, target)){  
            return;  
        }  
        try{  
            // 鎖定轉出賬戶  
            synchronized(this){  
                // 鎖定轉入賬戶  
                synchronized(target){  
                    if (this.balance > amt){  
                        this.balance -= amt;  
                        target.balance += amt;  
                    }  
                }  
            }  
        } finally {  
            accountBookManager.releaseObtainedAccountBook(this, target);  
        }  
    }  
}

破壞不可剝奪條件

上面已經(jīng)給了你小小的提示，為了解決內置鎖的執(zhí)著，Java 顯示鎖支持通知(notify/notifyall)和等待(wait)，也就是說該功能可以實現(xiàn)喊一嗓子老鐵，鐵蛋兒的賬本先給我用一下，用完還給你的功能，這個后續(xù)將到 Java SDK 相關內容時會做說明

破壞環(huán)路等待條件

破壞環(huán)路等待條件也很簡單，我們只需要將資源序號大小排序獲取就會解決這個問題，將環(huán)路拆除

繼續(xù)用代碼來說明:

class Account {  
  private int id;  
  private int balance;  
  // 轉賬  
  void transfer(Account target, int amt){  
    Account smaller = this          
    Account larger = target;      
    // 排序  
    if (this.id > target.id) {   
      smaller = target;             
      larger = this;              
    }                            
    // 鎖定序號小的賬戶  
    synchronized(smaller){  
      // 鎖定序號大的賬戶  
      synchronized(larger){   
        if (this.balance > amt){  
          this.balance -= amt;  
          target.balance += amt;  
        }  
      }  
    }  
  }   
}

當 smaller 被占用時，其他線程就會被阻塞，也就不會存在死鎖了.

附加說明

在實際業(yè)務中，關于 Account 都會是數(shù)據(jù)庫對象，我們可以通過事務或數(shù)據(jù)庫的樂觀鎖來解決的。另外分布式系統(tǒng)中，賬本管理員這個角色的處理也可能會用 redis 分布式鎖來解決.

在處理破壞請求和保持條件時，我們使用的是 while 循環(huán)方式來不斷請求鎖的時候，在實際業(yè)務中，我們會有 timeout 的設置，防止無休止的浪費 CPU 使用率

另外大家可以嘗試使用阿里開源工具 Arthas 來查看 CPU 使用率，線程等相關問題，github 上有明確的說明

總結

計算機的計算能力遠遠超過人類，但是他的智慧還需要有帶提高，當看待并發(fā)問題時，我們往往認為人類的最基本溝通計算機也可以做到，其實不然，還是那句話，編寫并發(fā)程序，要站在計算機的角度來看待問題

粗粒度鎖我們不提倡，所以會使用細粒度鎖，但使用細粒度鎖的時候，我們要嚴格按照 Coffman 的四大條件來逐條判斷，這樣再應用我們這幾個解決方案來解決就好了

靈魂追問

破壞請求和保持條件時，處理能力的瓶頸在賬本管理員那里，那你覺得這種處理方式會提高并發(fā)量嗎？
破壞請求保持條件的方法和破壞環(huán)路等待的方法，你覺得那種方式更好
破壞請求和保持條件時，如果代碼換成下面的樣子會發(fā)生什么？

public void transfer(Account target, int amt){  
    // 一次性申請轉出賬戶和轉入賬戶，直到成功  
    while(accountBookManager.getAllRequiredAccountBook(this, target)){}  
        try{  
            // 鎖定轉出賬戶  
            synchronized(this){  
                // 鎖定轉入賬戶  
                synchronized(target){  
                    if (this.balance > amt){  
                        this.balance -= amt;  
                        target.balance += amt;  
                    }  
                }  
            }  
        } finally {  
            accountBookManager.releaseObtainedAccountBook(this, target);  
        }  
    }  
}

責任編輯：龐桂玉來源： segmentfault

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