如何避免死锁?我们有套路可循

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写在前面

上一篇文章共享资源那么多,如何用一把锁保护多个资源? 文章我们谈到了银行转账经典案例,其中有两个问题:

  1. 单纯的用 synchronized 方法起不到保护作用(不能保护 target)
  2. 用 Account.class 锁方案,锁的粒度又过大,导致涉及到账户的所有操作(取款,转账,修改密码等)都会变成串行操作

如何解决这两个问题呢?咱们先换好衣服穿越回到过去寻找一下钱庄,一起透过现象看本质,dengdeng deng.......

来到钱庄,告诉柜员你要给铁蛋儿转 100 铜钱,这时柜员转身在墙上寻找你和铁蛋儿的账本,此时柜员可能面临三种情况:

  1. 理想状态: 你和铁蛋儿的账本都是空闲状态,一起拿回来,在你的账本上减 100 铜钱,在铁蛋儿账本上加 100 铜钱,柜员转身将账本挂回到墙上,完成你的业务
  2. 尴尬状态: 你的账本在,铁蛋儿的账本被其他柜员拿出去给别人转账,你要等待其他柜员把铁蛋儿的账本归还
  3. 抓狂状态: 你的账本不在,铁蛋儿的账本也不在,你只能等待两个账本都归还

放慢柜员的取账本操作,他一定是先拿到你的账本,然后再去拿铁蛋儿的账本,两个账本都拿到(理想状态)之后才能完成转账,用程序模型来描述一下这个拿取账本的过程:

我们继续用程序代码描述一下上面这个模型:

class Account {
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    // 锁定转出账户
    synchronized(this) {              
      // 锁定转入账户
      synchronized(target) {           
        if (this.balance > amt) {
          this.balance -= amt;
          target.balance += amt;
        }
      }
    }
  } 
}

这个解决方案看起来很完美,解决了文章开头说的两个问题,但真是这样吗?


我们刚刚说过的理想状态是钱庄只有一个柜员(既单线程)。随着钱庄规模变大,墙上早已挂了非常多个账本,钱庄为了应对繁忙的业务,开通了多个窗口,此时有多个柜员(多线程)处理钱庄业务。

柜员 1 正在办理给铁蛋儿转账的业务,但只拿到了你的账本;柜员 2 正在办理铁蛋儿给你转账的业务,但只拿到了铁蛋儿的账本,此时双方出现了尴尬状态,两位柜员都在等待对方归还账本为当前客户办理转账业务。

现实中柜员会沟通,喊出一嗓子 老铁,铁蛋儿的账本先给我用一下,用完还给你,但程序却没这么智能,synchronized 内置锁非常执着,它会告诉你「死等」的道理,最终出现死锁

Java 有了 synchronized 内置锁,还发明了显示锁 Lock,是不是就为了治一治 synchronized 「死等」的执着呢?😏

解决方案

如何解决上面的问题呢?正所谓知己知彼方能百战不殆,我们要先了解什么情况会发生死锁,才能知道如何避免死锁,很幸运我们可以站在巨人的肩膀上看待问题

Coffman 总结出了四个条件说明可以发生死锁的情形:

Coffman 条件

互斥条件:指进程对所分配到的资源进行排它性使用,即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源,则请求者只能等待,直至占有资源的进程用毕释放。

请求和保持条件:指进程已经保持至少一个资源,但又提出了新的资源请求,而该资源已被其它进程占有,此时请求进程阻塞,但又对自己已获得的其它资源保持不放。

不可剥夺条件:指进程已获得的资源,在未使用完之前,不能被剥夺,只能在使用完时由自己释放。

环路等待条件:指在发生死锁时,必然存在一个进程——资源的环形链,即进程集合{P1,P2,···,Pn}中的 P1 正在等待一个 P2 占用的资源;P2 正在等待 P3 占用的资源,……,Pn 正在等待已被 P0 占用的资源。

这几个条件很好理解,其中「互斥条件」是并发编程的根基,这个条件没办法改变。但其他三个条件都有改变的可能,也就是说破坏另外三个条件就不会出现上面说到的死锁问题

破坏请求和保持条件

每个柜员都可以取放账本,很容易出现互相等待的情况。要想破坏请求和保持条件,就要一次性拿到所有资源。

作为程序猿你一定听过这句话:

任何软件工程遇到的问题都可以通过增加一个中间层来解决

我们不允许柜员都可以取放账本,账本要由单独的账本管理员来管理

也就是说账本管理员拿取账本是临界区,如果只拿到其中之一的账本,那么不会给柜员,而是等待柜员下一次询问是否两个账本都在

//账本管理员
public class AccountBookManager {
    synchronized boolean getAllRequiredAccountBook( Object from, Object to){
        if(拿到所有账本){
            return true;
        } else{
            return false;
        }
    }
    // 归还资源
    synchronized void releaseObtainedAccountBook(Object from, Object to){
        归还获取到的账本
    }
}


public class Account {
    //单例的账本管理员
    private AccountBookManager accountBookManager;

    public void transfer(Account target, int amt){
        // 一次性申请转出账户和转入账户,直到成功
        while(!accountBookManager.getAllRequiredAccountBook(this, target)){
            return;
        }

        try{
            // 锁定转出账户
            synchronized(this){
                // 锁定转入账户
                synchronized(target){
                    if (this.balance > amt){
                        this.balance -= amt;
                        target.balance += amt;
                    }
                }
            }
        } finally {
            accountBookManager.releaseObtainedAccountBook(this, target);
        }
    }
}

破坏不可剥夺条件

上面已经给了你小小的提示,为了解决内置锁的执着,Java 显示锁支持通知(notify/notifyall)和等待(wait),也就是说该功能可以实现喊一嗓子 老铁,铁蛋儿的账本先给我用一下,用完还给你 的功能,这个后续将到 Java SDK 相关内容时会做说明

破坏环路等待条件

破坏环路等待条件也很简单,我们只需要将资源序号大小排序获取就会解决这个问题,将环路拆除

继续用代码来说明:

class Account {
  private int id;
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    Account smaller = this        
    Account larger = target;    
    // 排序
    if (this.id > target.id) { 
      smaller = target;           
      larger = this;            
    }                          
    // 锁定序号小的账户
    synchronized(smaller){
      // 锁定序号大的账户
      synchronized(larger){ 
        if (this.balance > amt){
          this.balance -= amt;
          target.balance += amt;
        }
      }
    }
  } 
}

当 smaller 被占用时,其他线程就会被阻塞,也就不会存在死锁了.

附加说明

在实际业务中,关于 Account 都会是数据库对象,我们可以通过事务或数据库的乐观锁来解决的。另外分布式系统中,账本管理员这个角色的处理也可能会用 redis 分布式锁来解决.

在处理破坏请求和保持条件时,我们使用的是 while 循环方式来不断请求锁的时候,在实际业务中,我们会有 timeout 的设置,防止无休止的浪费 CPU 使用率

另外大家可以尝试使用阿里开源工具 Arthas 来查看 CPU 使用率,线程等相关问题,github 上有明确的说明

总结

计算机的计算能力远远超过人类,但是他的智慧还需要有带提高,当看待并发问题时,我们往往认为人类的最基本沟通计算机也可以做到,其实不然,还是那句话,编写并发程序,要站在计算机的角度来看待问题

粗粒度锁我们不提倡,所以会使用细粒度锁,但使用细粒度锁的时候,我们要严格按照 Coffman 的四大条件来逐条判断,这样再应用我们这几个解决方案来解决就好了

灵魂追问

  1. 破坏请求和保持条件时,处理能力的瓶颈在账本管理员那里,那你觉得这种处理方式会提高并发量吗?
  2. 破坏请求保持条件的方法和破坏环路等待的方法,你觉得那种方式更好
  3. 破坏请求和保持条件时,如果代码换成下面的样子会发生什么?
public void transfer(Account target, int amt){
    // 一次性申请转出账户和转入账户,直到成功
    while(accountBookManager.getAllRequiredAccountBook(this, target)){}
        try{
            // 锁定转出账户
            synchronized(this){
                // 锁定转入账户
                synchronized(target){
                    if (this.balance > amt){
                        this.balance -= amt;
                        target.balance += amt;
                    }
                }
            }
        } finally {
            accountBookManager.releaseObtainedAccountBook(this, target);
        }
    }
}

提高效率工具


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