死锁了怎么办？

在互斥锁，解决原子性问题这篇文章中讲到，互斥锁可以将代码串行化，避免线程切换导致的并发问题。当一把锁想要锁住多个资源的时候，要使用更大力度的锁，在互斥锁，解决原子性问题转账的例子中使用了类锁 Account.class 来锁住转账双方的账号。

这样一来，A 转账给 B，B 转账给 C，这样两个操作都变成了串行化的。加入每秒有 1 万笔交易，而每个转账操作的操作都是串行的，性能完全不可接受。

细粒度锁

在转账操作中，我们使用了类锁Accont.class作为互斥锁，而Accont.class是所有 Account 对象共用的，这就导致转账操作完全串行化，无法并发。

这里的问题就是锁的范围太大，其实我们不需要锁住所有账户，只需要锁定两个转账账户就就可以了。我们可以使用细粒度锁，使用细粒度锁可以提高并行度，是性能优化的一个重要手段。代码如下所示：

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;
        }
      }
    }
  } 
}

我们给转出账户加一把锁，给转入账户也加一把锁。转账时，先尝试锁定转出账户 this，锁定成功之后再尝试锁定转入账户 target，只有当两个账户都被锁定时才会执行转账操作。这样一来，我们即保证了转账操作不会出现金额问题，也能让多个账户之间的转账操作并发执行。

死锁问题

死锁指的是，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。

以上面的 transfer() 方法为例，线程 T1 执行 A 向 B 转账的操作，线程 T2 执行 B 向 A 转账的操作。如果线程 T1 和 T2 同时执行 transfer() 会导致这样一个线程：

• 线程 T1 持有账户 A，需要请求账户 B
• 线程 T2 持有账户 B，需要请求账户 A

此时就造成了死锁的局面：线程 T1 和 T2 互相持有对方需要的资源，同时也都需要对方所持有的资源。

什么情况下会产生死锁呢？有个叫 Coffman 的牛人早就总结过了，只有以下这 4 个条件都发生时才会出现死锁：

1. 互斥，共享资源 X 和 Y 只能被一个线程占用；
2. 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；
3. 不可抢占，其他线程不能强行抢占线程 T1 占有的资源；
4. 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。

如何避免死锁

只有在互斥、占有且等待、不可抢占、循环等待这 4 个条件都满足的条件下才会产生死锁，所以我们只要破坏其中一个条件就可以避免死锁。

	描述	解决方案
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；	一次申请所有资源
不可抢占	其他线程不能强行抢占线程 T1 占有的资源；	主动释放线程占有的资源
循环等待	T1 等待 T2 占有的资源，T2 等待T1 占有的资源	按序申请资源：先申请资源需要小的，再申请资源需要大的

破坏占有且等待条件

一次申请所有资源，就可以破坏占有且等待条件。也就是不允许账户 A 自己去加锁和解锁，也不允许账户 B 自己去加锁和解锁，而是由一个管理员管理所有账户的锁。管理员则保证一次申请所有资源，即同时拿到账户 A 和账户 B 的锁。

对应到编程领域，“同时申请”这个操作是一个临界区，我们也需要一个角色（Java 里面的类）来管理这个临界区，我们就把这个角色定为 Allocator。它有两个重要功能，分别是：

1. 同时申请资源 apply() 和同时释放资源 free()。账户 Account 类里面持有一个 Allocator 的单例（必须是单例，只能由一个人来分配资源）。
2. 当账户 Account 在执行转账操作的时候，首先向 Allocator 同时申请转出账户和转入账户这两个资源，成功后再锁定这两个资源；当转账操作执行完，释放锁之后，我们需通知 Allocator 同时释放转出账户和转入账户这两个资源。

具体的代码实现如下：

class Allocator {
  private List<Object> als =
    new ArrayList<>();
  // 一次性申请所有资源
  synchronized boolean apply(
    Object from, Object to){
    if(als.contains(from) ||
         als.contains(to)){
      return false;  
    } else {
      als.add(from);
      als.add(to);  
    }
    return true;
  }
  // 归还资源
  synchronized void free(
    Object from, Object to){
    als.remove(from);
    als.remove(to);
  }
}

class Account {
  // actr应该为单例
  private Allocator actr;
  private int balance;
  // 转账
  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(!actr.apply(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 {
      actr.free(this, target)
    }
  } 
}

破坏不可抢占条件

破坏不可抢占条件的方式是，主动释放线程占有的资源，即线程 T1 持有资源的情况下请求其他资源，如果无法获得请求的资源，则主动释放自己的占有的资源。

synchronized主动做到主动释放资源，因为synchronized申请资源的时候，如果申请不到就会直接进入阻塞状态。进入阻塞状态的线程什么也不会做，也就不会主动释放资源。

但是我们可以使用 java.util.concurrent 包下的 Lock 来解决这个问题。

破坏循环等待条件

破坏循环等待条件，可以采用对资源进行排序的方式。以转账操作为例，我们可以给每个账户分配一个id。每次转账都保证先对 id 更小的账户先进行加锁的操作。

class Account {
  private int id;
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    Account left = this        ①
    Account right = target;    ②
    if (this.id > target.id) { ③
      left = target;           ④
      right = this;            ⑤
    }                          ⑥
    // 锁定序号小的账户
    synchronized(left){
      // 锁定序号大的账户
      synchronized(right){ 
        if (this.balance > amt){
          this.balance -= amt;
          target.balance += amt;
        }
      }
    }
  } 
}

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