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05 | 一不小心就死锁了，怎么办？

05 | 一不小心就死锁了，怎么办？-极客时间

05 | 一不小心就死锁了，怎么办？

2019-03-09 王宝令 来自北京
《Java并发编程实战》
课程介绍

讲述：王宝令

时长12:33大小11.47M

在上一篇文章中，我们用 Account.class 作为互斥锁，来解决银行业务里面的转账问题，虽然这个方案不存在并发问题，但是所有账户的转账操作都是串行的，例如账户 A 转账户 B、账户 C 转账户 D 这两个转账操作现实世界里是可以并行的，但是在这个方案里却被串行化了，这样的话，性能太差。
试想互联网支付盛行的当下，8 亿网民每人每天一笔交易，每天就是 8 亿笔交易；每笔交易都对应着一次转账操作，8 亿笔交易就是 8 亿次转账操作，也就是说平均到每秒就是近 1 万次转账操作，若所有的转账操作都串行，性能完全不能接受。
那下面我们就尝试着把性能提升一下。

向现实世界要答案

现实世界里，账户转账操作是支持并发的，而且绝对是真正的并行，银行所有的窗口都可以做转账操作。只要我们能仿照现实世界做转账操作，串行的问题就解决了。
我们试想在古代，没有信息化，账户的存在形式真的就是一个账本，而且每个账户都有一个账本，这些账本都统一存放在文件架上。银行柜员在给我们做转账时，要去文件架上把转出账本和转入账本都拿到手，然后做转账。这个柜员在拿账本的时候可能遇到以下三种情况：
文件架上恰好有转出账本和转入账本，那就同时拿走；
如果文件架上只有转出账本和转入账本之一，那这个柜员就先把文件架上有的账本拿到手，同时等着其他柜员把另外一个账本送回来；
转出账本和转入账本都没有，那这个柜员就等着两个账本都被送回来。
上面这个过程在编程的世界里怎么实现呢？其实用两把锁就实现了，转出账本一把，转入账本另一把。在 transfer() 方法内部，我们首先尝试锁定转出账户 this（先把转出账本拿到手），然后尝试锁定转入账户 target（再把转入账本拿到手），只有当两者都成功时，才执行转账操作。这个逻辑可以图形化为下图这个样子。
两个转账操作并行示意图
而至于详细的代码实现，如下所示。经过这样的优化后，账户 A 转账户 B 和账户 C 转账户 D 这两个转账操作就可以并行了。
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;
}
}
}
}
}

没有免费的午餐

上面的实现看上去很完美，并且也算是将锁用得出神入化了。相对于用 Account.class 作为互斥锁，锁定的范围太大，而我们锁定两个账户范围就小多了，这样的锁，上一章我们介绍过，叫细粒度锁。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。
这个时候可能你已经开始警觉了，使用细粒度锁这么简单，有这样的好事，是不是也要付出点什么代价啊？编写并发程序就需要这样时时刻刻保持谨慎。
的确，使用细粒度锁是有代价的，这个代价就是可能会导致死锁。
在详细介绍死锁之前，我们先看看现实世界里的一种特殊场景。如果有客户找柜员张三做个转账业务：账户 A 转账户 B 100 元，此时另一个客户找柜员李四也做个转账业务：账户 B 转账户 A 100 元，于是张三和李四同时都去文件架上拿账本，这时候有可能凑巧张三拿到了账本 A，李四拿到了账本 B。张三拿到账本 A 后就等着账本 B（账本 B 已经被李四拿走），而李四拿到账本 B 后就等着账本 A（账本 A 已经被张三拿走），他们要等多久呢？他们会永远等待下去…因为张三不会把账本 A 送回去，李四也不会把账本 B 送回去。我们姑且称为死等吧。
转账业务中的“死等”
现实世界里的死等，就是编程领域的死锁了。死锁的一个比较专业的定义是：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。
上面转账的代码是怎么发生死锁的呢？我们假设线程 T1 执行账户 A 转账户 B 的操作，账户 A.transfer(账户 B)；同时线程 T2 执行账户 B 转账户 A 的操作，账户 B.transfer(账户 A)。当 T1 和 T2 同时执行完①处的代码时，T1 获得了账户 A 的锁（对于 T1，this 是账户 A），而 T2 获得了账户 B 的锁（对于 T2，this 是账户 B）。之后 T1 和 T2 在执行②处的代码时，T1 试图获取账户 B 的锁时，发现账户 B 已经被锁定（被 T2 锁定），所以 T1 开始等待；T2 则试图获取账户 A 的锁时，发现账户 A 已经被锁定（被 T1 锁定），所以 T2 也开始等待。于是 T1 和 T2 会无期限地等待下去，也就是我们所说的死锁了。
class Account {
private int balance;
// 转账
void transfer(Account target, int amt){
// 锁定转出账户
synchronized(this){ ①
// 锁定转入账户
synchronized(target){ ②
if (this.balance > amt) {
this.balance -= amt;
target.balance += amt;
}
}
}
}
}
关于这种现象，我们还可以借助资源分配图来可视化锁的占用情况（资源分配图是个有向图，它可以描述资源和线程的状态）。其中，资源用方形节点表示，线程用圆形节点表示；资源中的点指向线程的边表示线程已经获得该资源，线程指向资源的边则表示线程请求资源，但尚未得到。转账发生死锁时的资源分配图就如下图所示，一个“各据山头死等”的尴尬局面。
转账发生死锁时的资源分配图

如何预防死锁

并发程序一旦死锁，一般没有特别好的方法，很多时候我们只能重启应用。因此，解决死锁问题最好的办法还是规避死锁。
那如何避免死锁呢？要避免死锁就需要分析死锁发生的条件，有个叫 Coffman 的牛人早就总结过了，只有以下这四个条件都发生时才会出现死锁：
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。
反过来分析，也就是说只要我们破坏其中一个，就可以成功避免死锁的发生。
其中，互斥这个条件我们没有办法破坏，因为我们用锁为的就是互斥。不过其他三个条件都是有办法破坏掉的，到底如何做呢？
对于“占用且等待”这个条件，我们可以一次性申请所有的资源，这样就不存在等待了。
对于“不可抢占”这个条件，占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源，这样不可抢占这个条件就破坏掉了。
对于“循环等待”这个条件，可以靠按序申请资源来预防。所谓按序申请，是指资源是有线性顺序的，申请的时候可以先申请资源序号小的，再申请资源序号大的，这样线性化后自然就不存在循环了。
我们已经从理论上解决了如何预防死锁，那具体如何体现在代码上呢？下面我们就来尝试用代码实践一下这些理论。

1. 破坏占用且等待条件

从理论上讲，要破坏这个条件，可以一次性申请所有资源。在现实世界里，就拿前面我们提到的转账操作来讲，它需要的资源有两个，一个是转出账户，另一个是转入账户，当这两个账户同时被申请时，我们该怎么解决这个问题呢？
可以增加一个账本管理员，然后只允许账本管理员从文件架上拿账本，也就是说柜员不能直接在文件架上拿账本，必须通过账本管理员才能拿到想要的账本。例如，张三同时申请账本 A 和 B，账本管理员如果发现文件架上只有账本 A，这个时候账本管理员是不会把账本 A 拿下来给张三的，只有账本 A 和 B 都在的时候才会给张三。这样就保证了“一次性申请所有资源”。
通过账本管理员拿账本
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：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）。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)
}
}
}

2. 破坏不可抢占条件

破坏不可抢占条件看上去很简单，核心是要能够主动释放它占有的资源，这一点 synchronized 是做不到的。原因是 synchronized 申请资源的时候，如果申请不到，线程直接进入阻塞状态了，而线程进入阻塞状态，啥都干不了，也释放不了线程已经占有的资源。
你可能会质疑，“Java 作为排行榜第一的语言，这都解决不了？”你的怀疑很有道理，Java 在语言层次确实没有解决这个问题，不过在 SDK 层面还是解决了的，java.util.concurrent 这个包下面提供的 Lock 是可以轻松解决这个问题的。关于这个话题，咱们后面会详细讲。

3. 破坏循环等待条件

破坏这个条件，需要对资源进行排序，然后按序申请资源。这个实现非常简单，我们假设每个账户都有不同的属性 id，这个 id 可以作为排序字段，申请的时候，我们可以按照从小到大的顺序来申请。比如下面代码中，①~⑥处的代码对转出账户（this）和转入账户（target）排序，然后按照序号从小到大的顺序锁定账户。这样就不存在“循环”等待了。
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;
}
}
}
}
}

总结

当我们在编程世界里遇到问题时，应不局限于当下，可以换个思路，向现实世界要答案，利用现实世界的模型来构思解决方案，这样往往能够让我们的方案更容易理解，也更能够看清楚问题的本质。
但是现实世界的模型有些细节往往会被我们忽视。因为在现实世界里，人太智能了，以致有些细节实在是显得太不重要了。在转账的模型中，我们为什么会忽视死锁问题呢？原因主要是在现实世界，我们会交流，并且会很智能地交流。而编程世界里，两个线程是不会智能地交流的。所以在利用现实模型建模的时候，我们还要仔细对比现实世界和编程世界里的各角色之间的差异。
我们今天这一篇文章主要讲了用细粒度锁来锁定多个资源时，要注意死锁的问题。这个就需要你能把它强化为一个思维定势，遇到这种场景，马上想到可能存在死锁问题。当你知道风险之后，才有机会谈如何预防和避免，因此，识别出风险很重要。
预防死锁主要是破坏三个条件中的一个，有了这个思路后，实现就简单了。但仍需注意的是，有时候预防死锁成本也是很高的。例如上面转账那个例子，我们破坏占用且等待条件的成本就比破坏循环等待条件的成本高，破坏占用且等待条件，我们也是锁了所有的账户，而且还是用了死循环 while(!actr.apply(this, target));方法，不过好在 apply() 这个方法基本不耗时。 在转账这个例子中，破坏循环等待条件就是成本最低的一个方案。
所以我们在选择具体方案的时候，还需要评估一下操作成本，从中选择一个成本最低的方案。

课后思考

我们上面提到：破坏占用且等待条件，我们也是锁了所有的账户，而且还是用了死循环 while(!actr.apply(this, target));这个方法，那它比 synchronized(Account.class) 有没有性能优势呢？
欢迎在留言区与我分享你的想法，也欢迎你在留言区记录你的思考过程。感谢阅读，如果你觉得这篇文章对你有帮助的话，也欢迎把它分享给更多的朋友。
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精选留言(236)

  • 捞鱼的搬砖奇
    2019-03-09
    synchronized(Account.class) 锁了Account类相关的所有操作。相当于文中说的包场了，只要与Account有关联，通通需要等待当前线程操作完成。while死循环的方式只锁定了当前操作的两个相关的对象。两种影响到的范围不同。

    作者回复: 还真是这样啊！

    共 16 条评论
    150
  • Tony Du
    2019-03-09
    while循环是不是应该有个timeout，避免一直阻塞下去？

    作者回复: 你考虑的很周到！👍 加超时在实际项目中非常重要！

    共 5 条评论
    113
  • 张立华
    2019-03-12
    之前遇到死锁，我就是用资源id的从小到大的顺序去申请锁解决的

    作者回复: 这个方案最简单

    共 6 条评论
    98
  • Demon.Lee
    2019-03-09
    while(actr.apply(this, target)); --> while(!actr.apply(this, target)); 我感觉应该是这样，老师，我理解错了？

    作者回复: 你发现了个大bug!感谢感谢！！！我这就修改一下啊

    共 5 条评论
    76
  • 几字凉了秋丶
    2019-03-10
    老师，请问一下，在实际的开发中，account对象应该是从数据库中查询出来的吧，假如A转B，C转B一起执行，那B的account对象如何保证是同一个对象，不太理解。。。

    作者回复: 实际开发中都是用数据库事务+乐观锁的方式解决的。这个就是个例子，为了说明死锁是怎么回事，以及死锁问题怎么解决。

    共 4 条评论
    60
  • 别皱眉
    2019-03-14
    @阿官 我来回答下你的问题 以下是阿官的问题 ------------------------------------------------------- 老师，在破坏占用且等待的案例中，为何申请完两个账户的资源后还需要再分别锁定this和target账户呢？ ------------------------------------------------------- 因为还存在其他业务啊 比如客户取款 这个时候也是对全局变量balance做操作 如果不加锁 并发情况下会出问题 老师你看我说的对吗😄😄
    展开

    作者回复: 你说到我心里了😃😃😃

    共 15 条评论
    46
  • 李可威
    2019-03-17
    老师为什么按序申请资源就可以破坏循环等待条件呢？这点没有看懂求解答

    作者回复: 循环等待，一定是A->B->C->...->N->A形成环状。 如果按需申请，是不允许N->A出现的，只能N->P。没有环状，也就不会死锁了。

    共 6 条评论
    37
  • Bright丶
    2019-04-26
    老师，感觉下面的代码也能避免死锁，并且能实现功能： void transfer(Account target, int amt){ boolean isTransfer = false; // 锁定转出账户 synchronized(this){ if (this.balance > amt) { this.balance -= amt; isTransfer = true; } if (!isTransfer) { return; } // 锁定转入账户 synchronized(target){ target.balance += amt; } } 反映到现实中的场景：服务员A拿到账本1先判断余额够不够，够的话先扣款，再等待其他人操作完账本2，才增加它的额度。 但是这样转账和到账就存在一个时差，现实生活中也是这样，转账不会立马到账，短信提醒24小时内到账，所谓的最终一致性。 老师帮忙看看这样实现会不会有啥其他问题？
    展开

    作者回复: 实际工作中也有这么做的，只不过是把转入操作放到mq里面，mq消费失败会重试，所以能保证最终一致性。

    共 20 条评论
    30
  • 轻歌赋
    2019-03-09
    存在性能差距，虽然申请的时候加锁导致单线程访问，但是hash判断和赋值时间复杂度低，而在锁中执行业务代码时间长很多。 申请的时候单线程，但是执行的时候就可以多线程了，这里性能提升比较明显 想问问老师，如何判断多线程的阻塞导致的问题呢？有什么工具吗

    作者回复: 可以用top命令查看Java线程的cpu利用率，用jstack来dump线程。开发环境可以用 java visualvm查看线程执行情况

    26
  • 王二宝
    2019-08-28
    最常见的就是B转A的同时，A转账给B，那么先锁B再锁A，但是，另一个线程是先锁A再锁B，然而，如果两个线程同时执行，那么就是出现死锁的情况，线程T1锁了A请求锁B，此时线程T2锁了B请求锁A，都在等着对方释放锁，然而自己都不会释放锁，故死锁。 最简单的办法，就是无论哪个线程执行的时候，都按照顺序加锁，即按照A和B的id大小来加锁，这样，无论哪个线程执行的时候，都会先加锁A，再加锁B，A被加锁，则等待释放。这样就不会被死锁了。
    展开

    作者回复: 👍

    共 2 条评论
    21
  • 邋遢的流浪剑客
    2019-03-09
    思考题的话希望老师能够过后给出一个比较标准的答案，毕竟大家的留言中说法各不相同很难去判断答案的对错

    作者回复: 这一部分的最后一章，要不就给答案吧

    18
  • 铿然
    2019-09-18
    如果有人没有理解透彻，看着例子来写生产代码，那么并发情况下会出问题，如果并发小，一直没出问题，会以为代码没问题，真正出问题的时候都分析不出来哪里错了。 并发情况下，这些代码的加锁对象并不是同一个，所以是有问题的。-- 不同的线程都获取到了账户A的实例对象，但这些实例对象不是同一个。 希望所有读者都能看透这个，多线程对账户A，B实例加锁时一定要保证是同一个实例对象，就像在数据库表中通过select * from account where account_id = ? for update 加锁一样，锁住的是同一条账户记录。
    展开
    共 4 条评论
    16
  • aguan(^･ｪ･^)
    2019-03-14
    老师，在破坏占用且等待的案例中，为何申请完两个账户的资源后还需要再分别锁定this和target账户呢？

    作者回复: 为了保险而已，单纯这个例子是不需要的，如果还有取款操作就需要了

    共 3 条评论
    16
  • gogo
    2019-03-10
    看了老师的讲解学到了很多，联想了下实际转账业务，应该是数据库来实现的，假如有账户表account，利用mysql的悲观锁select ...for update对a，b两条数据锁定，这时也有可能发生死锁，按照您讲到的第三种破坏循环等待的方式，按照id的大小顺序依次锁定。我这样理解的对吗？

    作者回复: 是的，就是id的次序。

    共 6 条评论
    14
  • 陈华
    2019-03-14
    对于第三点，按资源顺序来锁就能打破循环等待有疑问。 例如：账户 1 向 账户 3 转账 同时 账户 3 向 账户 5 转账 即使按资源顺序来锁，也是起不了啥作用吧！？，

    作者回复: 能起作用，这俩操作不会死锁

    共 7 条评论
    12
  • Howie
    2019-03-09
    while 循环就是一个自旋锁机制吧，自旋锁的话要关注它的循环时间，不能一直循环下去，不然会浪费 cpu 资源。

    作者回复: 自旋锁在JVM里是一种特殊的锁机制，自诩不会阻塞线程的。咱们这个其实还是会阻塞线程的。不过原理都一样，你这样理解也没问题。

    12
  • GP
    2019-03-13
    问下，上节最后说到，不能用可变对象做锁，这里为何又synchronized（left）？

    作者回复: 保护的是对象里面的成员，这俩对象变也只能是里面成员变，相对于里面的成员来说，这俩对象是永远不会变的。你可以这样理解。不是绝对不能用于可变对象，只是一条最佳实践。

    共 2 条评论
    11
  • 长眉_张永
    2019-03-13
    关键是如何找到最合适的锁的力度。

    作者回复: 是啊，所以知识只是知识，不是能力

    11
  • Nero.t.Kang
    2019-03-11
    虽然看起来 while(!actr.apply(this, target));只是锁住了两个对象，但是因为actr是一个单例的对象，这个方法在执行的时候也需要锁住actr，在多线程状态下也相当于是串行化了，那么这和加上一个Account.class的类锁的串行化有什么区别吗?请老师赐教，谢谢。

    作者回复: 有区别，如果转账操作很耗时，那么a-b,c-d能并行还是有价值的

    共 5 条评论
    11
  • 撒旦的堕落
    2019-08-21
    虽然上面两种锁的方式都是串行化了，但是具体还是有一点区别的：synchronized(Account.class)的方式相当于A->B 转账，C->D转账 先后执行，而 actr.apply(this, target)的方式则是apply-->转账-->free这样的串行方式执行，但是在转账中是可以A->B，C->D转账线程并行执行的，正如文中提到的apply方法耗时很少 所以比如一次转账耗时200ms,apply+release方式执行要20ms,所以用synchronized的方式A->B,C->D则需要耗时400ms,而appy的方式则要200+20*2=240ms,并且同时转账的人越多 apply方式的转账并行度越高 比synchronized的方式的优势越明显。 但是有一个不明白的地方,对于已经通过apply获取锁的线程，感觉没有必要对转账的账户锁定了，因为其他的线程想对相同的账户进行转账 调用apply方式是没法返回true的(已经有线程对list加入账户了)
    展开
    共 2 条评论
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