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 {
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 lockObjs = new HashSet();
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 {
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 {
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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