Java 死鎖解決方案順序鎖和輪詢鎖
前言：
死鎖（Dead Lock）指的是兩個或兩個以上的運算單元（進程、線程或協程），都在等待對方停止執行，以取得系統資源，但是沒有一方提前退出，就稱為死鎖。
死鎖示例代碼如下：
public class DeadLockExample {
public static void main(String[] args) {
Object lockA = new Object(); // 創建鎖 A
Object lockB = new Object(); // 創建鎖 B
// 創建線程 1
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (lockA) {
System.out.println("線程 1:獲取到鎖 A!");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("線程 1:等待獲取 B...");
synchronized (lockB) {
System.out.println("線程 1:獲取到鎖 B!");
}
}
}
});
t1.start(); // 運行線程
// 創建線程 2
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (lockB) {
System.out.println("線程 2:獲取到鎖 B!");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("線程 2:等待獲取 A...");
synchronized (lockA) {
System.out.println("線程 2:獲取到鎖 A!");
}
}
}
});
t2.start(); // 運行線程
}
}
以上程序的執行結果如下：
從上述結果可以看出，線程 1 和線程 2 都進入瞭死鎖狀態，相互都在等待對方釋放鎖。
從上述示例分析可以得出，產生死鎖需要滿足以下 4 個條件：
- 互斥條件：指運算單元（進程、線程或協程）對所分配到的資源具有排它性，也就是說在一段時間內某個鎖資源隻能被一個運算單元所占用。
- 請求和保持條件：指運算單元已經保持至少一個資源，但又提出瞭新的資源請求，而該資源已被其它運算單元占有，此時請求運算單元阻塞，但又對自己已獲得的其它資源保持不放。
- 不可剝奪條件：指運算單元已獲得的資源，在未使用完之前，不能被剝奪。
- 環路等待條件：指在發生死鎖時，必然存在運算單元和資源的環形鏈，即運算單元正在等待另一個運算單元占用的資源，而對方又在等待自己占用的資源，從而造成環路等待的情況。
隻有這 4 個條件同時滿足，才會造成死鎖的問題。
那麼也就是說，要產生死鎖必須要同時滿足以上 4 個條件才行，那我們就可以通過破壞任意一個條件來解決死鎖問題瞭。
死鎖解決方案分析
接下來我們來分析一下，產生死鎖的 4 個條件，哪些是可以破壞的？哪些是不能被破壞的？
- 互斥條件：系統特性，不能被破壞。
- 請求和保持條件：可以被破壞。
- 不可剝奪條件：系統特性，不能被破壞。
- 環路等待條件：可以被破壞。
通過上述分析，我們可以得出結論，我們隻能通過破壞請求和保持條件或者是環路等待條件，從而來解決死鎖的問題，那上線，我們就先從破壞“環路等待條件”開始來解決死鎖問題。
解決方案1：順序鎖
所謂的順序鎖指的是通過有順序的獲取鎖，從而避免產生環路等待條件，從而解決死鎖問題的。
當我們沒有使用順序鎖時，程序的執行可能是這樣的：
線程 1 先獲取瞭鎖 A，再獲取鎖 B，線程 2 與 線程 1 同時執行，線程 2 先獲取鎖 B，再獲取鎖 A，這樣雙方都先占用瞭各自的資源（鎖 A 和鎖 B）之後，再嘗試獲取對方的鎖，從而造成瞭環路等待問題，最後造成瞭死鎖的問題。
此時我們隻需要將線程 1 和線程 2 獲取鎖的順序進行統一，也就是線程 1 和線程 2 同時執行之後，都先獲取鎖 A，再獲取鎖 B，執行流程如下圖所示：
因為隻有一個線程能成功獲取到鎖 A，沒有獲取到鎖 A 的線程就會等待先獲取鎖 A，此時得到鎖 A 的線程繼續獲取鎖 B，因為沒有線程爭搶和擁有鎖 B，那麼得到鎖 A 的線程就會順利的擁有鎖 B，之後執行相應的代碼再將鎖資源全部釋放，然後另一個等待獲取鎖 A 的線程就可以成功獲取到鎖資源，執行後續的代碼，這樣就不會出現死鎖的問題瞭。
順序鎖的實現代碼如下所示：
public class SolveDeadLockExample {
public static void main(String[] args) {
Object lockA = new Object(); // 創建鎖 A
Object lockB = new Object(); // 創建鎖 B
// 創建線程 1
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (lockA) {
System.out.println("線程 1:獲取到鎖 A!");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("線程 1:等待獲取 B...");
synchronized (lockB) {
System.out.println("線程 1:獲取到鎖 B!");
}
}
}
});
t1.start(); // 運行線程
// 創建線程 2
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (lockA) {
System.out.println("線程 2:獲取到鎖 A!");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("線程 2:等待獲取B...");
synchronized (lockB) {
System.out.println("線程 2:獲取到鎖 B!");
}
}
}
});
t2.start(); // 運行線程
}
}
以上程序的執行結果如下：
從上述執行結果可以看出，程序並沒有出現死鎖的問題。
解決方案2：輪詢鎖
輪詢鎖是通過打破“請求和保持條件”來避免造成死鎖的，它的實現思路簡單來說就是通過輪詢來嘗試獲取鎖，如果有一個鎖獲取失敗，則釋放當前線程擁有的所有鎖，等待下一輪再嘗試獲取鎖。
輪詢鎖的實現需要使用到 ReentrantLock 的 tryLock 方法，具體實現代碼如下：
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class SolveDeadLockExample {
public static void main(String[] args) {
Lock lockA = new ReentrantLock(); // 創建鎖 A
Lock lockB = new ReentrantLock(); // 創建鎖 B
// 創建線程 1(使用輪詢鎖)
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 調用輪詢鎖
pollingLock(lockA, lockB);
}
});
t1.start(); // 運行線程
// 創建線程 2
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
lockB.lock(); // 加鎖
System.out.println("線程 2:獲取到鎖 B!");
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.println("線程 2:等待獲取 A...");
lockA.lock(); // 加鎖
try {
System.out.println("線程 2:獲取到鎖 A!");
} finally {
lockA.unlock(); // 釋放鎖
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lockB.unlock(); // 釋放鎖
}
}
});
t2.start(); // 運行線程
}
/**
* 輪詢鎖
*/
public static void pollingLock(Lock lockA, Lock lockB) {
while (true) {
if (lockA.tryLock()) { // 嘗試獲取鎖
System.out.println("線程 1:獲取到鎖 A!");
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.println("線程 1:等待獲取 B...");
if (lockB.tryLock()) { // 嘗試獲取鎖
try {
System.out.println("線程 1:獲取到鎖 B!");
} finally {
lockB.unlock(); // 釋放鎖
System.out.println("線程 1:釋放鎖 B.");
break;
}
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lockA.unlock(); // 釋放鎖
System.out.println("線程 1:釋放鎖 A.");
}
}
// 等待一秒再繼續執行
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
以上程序的執行結果如下：
從上述結果可以看出，以上代碼也沒有出現死鎖的問題。
總結
本文介紹瞭解決死鎖的 2 種方案：
- 第 1 種順序鎖：通過改變獲取鎖的順序也就打破“環路請求條件”來避免死鎖問題的發生；
- 第 2 種輪詢鎖：通過輪詢的方式也就是打破“請求和擁有條件”來解決死鎖問題。它的實現思路是，通過自旋的方式來嘗試獲取鎖，在獲取鎖的途中，如果有任何一個鎖獲取失敗，則釋放之前獲取的所有鎖，等待一段時間之後再次執行之前的流程，這樣就避免一個鎖一直（被一個線程）占用的尷尬瞭，從而避免瞭死鎖問題。
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