Java 程序死锁问题原理及解决方案
原文出處： IBM developerWorks
Java 語言通過 synchronized 關鍵字來保證原子性，這是因為每一個 Object 都有一個隱含的鎖，這個也稱作監視器對象。在進入 synchronized 之前自動獲取此內部鎖，而一旦離開此方式，無論是完成或者中斷都會自動釋放鎖。顯然這是一個獨占鎖，每個鎖請求之間是互斥的。相對于眾多高級鎖 (Lock/ReadWriteLock 等)，synchronized 的代價都比后者要高。但是 synchronzied 的語法比較簡單，而且也比較容易使用和理解。Lock 一旦調用了 lock() 方法獲取到鎖而未正確釋放的話很有可能造成死鎖，所以 Lock 的釋放操作總是跟在 finally 代碼塊里面，這在代碼結構上也是一次調整和冗余。Lock 的實現已經將硬件資源用到了極致，所以未來可優化的空間不大，除非硬件有了更高的性能，但是 synchronized 只是規范的一種實現，這在不同的平臺不同的硬件還有很高的提升空間，未來 Java 鎖上的優化也會主要在這上面。既然 synchronzied 都不可能避免死鎖產生，那么死鎖情況會是經常容易出現的錯誤，下面具體描述死鎖發生的原因及解決方法。
死鎖描述
死鎖是操作系統層面的一個錯誤，是進程死鎖的簡稱，最早在 1965 年由 Dijkstra 在研究銀行家算法時提出的，它是計算機操作系統乃至整個并發程序設計領域最難處理的問題之一。
事實上，計算機世界有很多事情需要多線程方式去解決，因為這樣才能最大程度上利用資源，才能體現出計算的高效。但是，實際上來說，計算機系統中有很多一次只能由一個進程使用的資源的情況，例如打印機，同時只能有一個進程控制它。在多通道程序設計環境中，若干進程往往要共享這類資源，而且一個進程所需要的資源還很有可能不止一個。因此，就會出現若干進程競爭有限資源，又推進順序不當，從而構成無限期循環等待的局面。我們稱這種狀態為死鎖。簡單一點描述，死鎖是指多個進程循環等待它方占有的資源而無限期地僵持下去的局面。很顯然，如果沒有外力的作用，那么死鎖涉及到的各個進程都將永遠處于封鎖狀態。
系統發生死鎖現象不僅浪費大量的系統資源，甚至導致整個系統崩潰，帶來災難性后果。所以，對于死鎖問題在理論上和技術上都必須予以高度重視。
銀行家算法
一個銀行家如何將一定數目的資金安全地借給若干個客戶，使這些客戶既能借到錢完成要干的事，同時銀行家又能收回全部資金而不至于破產。銀行家就像一個操作系統，客戶就像運行的進程，銀行家的資金就是系統的資源。
銀行家算法需要確保以下四點：
- 當一個顧客對資金的最大需求量不超過銀行家現有的資金時就可接納該顧客
- 顧客可以分期貸款, 但貸款的總數不能超過最大需求量
- 當銀行家現有的資金不能滿足顧客尚需的貸款數額時，對顧客的貸款可- 推遲支付，但總能使顧客在有限的時間里得到貸款
- 當顧客得到所需的全部資金后，一定能在有限的時間里歸還所有的資金
清單 1. 銀行家算法實現
/*一共有５個進程需要請求資源，有３類資源*/ public class BankDemo {/* 每個進程所需要的最大資源數 */public static int MAX[][] = { { 7, 5, 3 }, { 3, 2, 2 }, { 9, 0, 2 },{ 2, 2, 2 }, { 4, 3, 3 } };/* 系統擁有的初始資源數 */public static int AVAILABLE[] = { 10, 5, 7 };/* 系統已給每個進程分配的資源數 */public static int ALLOCATION[][] = { { 0, 0, 0 }, { 0, 0, 0 }, { 0, 0, 0 },{ 0, 0, 0 }, { 0, 0, 0 } };/* 每個進程還需要的資源數 */public static int NEED[][] = { { 7, 5, 3 }, { 3, 2, 2 }, { 9, 0, 2 },{ 2, 2, 2 }, { 4, 3, 3 } };/* 每次申請的資源數 */public static int Request[] = { 0, 0, 0 };/* 進程數與資源數 */public static int M = 5, N = 3;int FALSE = 0;int TRUE = 1;public void showdata(){int i, j;System.out.print( "系統可用的資源數為:/n" );for ( j = 0; j < N; j++ ){System.out.print( "資源" + j + ":" + AVAILABLE[j] + " " );}System.out.println();System.out.println( "各進程還需要的資源量:" );for ( i = 0; i < M; i++ ){System.out.print( "進程" + i + ":" );for ( j = 0; j < N; j++ ){System.out.print( "資源" + j + ":" + NEED[i][j] + " " );}System.out.print( "/n" );}System.out.print( "各進程已經得到的資源量: /n" );for ( i = 0; i < M; i++ ){System.out.print( "進程" );System.out.print( i );for ( j = 0; j < N; j++ ){System.out.print( "資源" + j + ":" + ALLOCATION[i][j] + " " );}System.out.print( "/n" );}}/* 分配資源，并重新更新各種狀態 */public void changdata( int k ){int j;for ( j = 0; j < N; j++ ){AVAILABLE[j] = AVAILABLE[j] - Request[j];ALLOCATION[k][j] = ALLOCATION[k][j] + Request[j];NEED[k][j] = NEED[k][j] - Request[j];}};/* 回收資源，并重新更新各種狀態 */public void rstordata( int k ){int j;for ( j = 0; j < N; j++ ){AVAILABLE[j] = AVAILABLE[j] + Request[j];ALLOCATION[k][j] = ALLOCATION[k][j] - Request[j];NEED[k][j] = NEED[k][j] + Request[j];}};/* 釋放資源 */public void free( int k ){for ( int j = 0; j < N; j++ ){AVAILABLE[j] = AVAILABLE[j] + ALLOCATION[k][j];System.out.print( "釋放" + k + "號進程的" + j + "資源!/n" );}}public int check0( int k ){int j, n = 0;for ( j = 0; j < N; j++ ){if ( NEED[k][j] == 0 )n++;}if ( n == 3 )return(1);elsereturn(0);}/** 檢查安全性函數* 所以銀行家算法其核心是：保證銀行家系統的資源數至少不小于一個客戶的所需要的資源數。在安全性檢查函數 chkerr() 上由這個方法來實現* 這個循環來進行核心判斷，從而完成了銀行家算法的安全性檢查工作。*/public int chkerr( int s ){int WORK;int FINISH[] = new int[M], temp[] = new int[M]; /* 保存臨時的安全進程序列 */int i, j, k = 0;for ( i = 0; i < M; i++ )FINISH[i] = FALSE;for ( j = 0; j < N; j++ ){WORK = AVAILABLE[j]; /* 第 j 個資源可用數 */i = s;/* 判斷第 i 個進程是否滿足條件 */while ( i < M ){if ( FINISH[i] == FALSE && NEED[i][j] <= WORK ){WORK = WORK + ALLOCATION[i][j];FINISH[i] = TRUE;temp[k] = i;k++;i = 0;} else {i++;}}for ( i = 0; i < M; i++ )if ( FINISH[i] == FALSE ){System.out.print( "/n 系統不安全!!! 本次資源申請不成功!/n" );return(1);}}System.out.print( "/n 經安全性檢查，系統安全，本次分配成功。/n" );System.out.print( "本次安全序列：" );for ( i = 0; i < M - 1; i++ ){System.out.print( "進程" + temp[i] + "->" );}System.out.print( "進程" + temp[M - 1] );System.out.println( "/n" );return(0);} }死鎖示例
死鎖問題是多線程特有的問題，它可以被認為是線程間切換消耗系統性能的一種極端情況。在死鎖時，線程間相互等待資源，而又不釋放自身的資源，導致無窮無盡的等待，其結果是系統任務永遠無法執行完成。死鎖問題是在多線程開發中應該堅決避免和杜絕的問題。
一般來說，要出現死鎖問題需要滿足以下條件：
只要破壞死鎖 4 個必要條件之一中的任何一個，死鎖問題就能被解決。
我們先來看一個示例，前面說過，死鎖是兩個甚至多個線程被永久阻塞時的一種運行局面，這種局面的生成伴隨著至少兩個線程和兩個或者多個資源。代碼清單 2 所示的示例中，我們編寫了一個簡單的程序，它將會引起死鎖發生，然后我們就會明白如何分析它。
清單 2. 死鎖示例
public class ThreadDeadlock {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Object obj1 = new Object();Object obj2 = new Object();Object obj3 = new Object();Thread t1 = new Thread(new SyncThread(obj1, obj2), "t1");Thread t2 = new Thread(new SyncThread(obj2, obj3), "t2");Thread t3 = new Thread(new SyncThread(obj3, obj1), "t3");t1.start();Thread.sleep(5000);t2.start();Thread.sleep(5000);t3.start();} } class SyncThread implements Runnable {private Object obj1;private Object obj2;public SyncThread(Object o1, Object o2) {this.obj1 = o1;this.obj2 = o2;}@Overridepublic void run() {String name = Thread.currentThread().getName();System.out.println(name + " acquiring lock on " + obj1);synchronized (obj1) {System.out.println(name + " acquired lock on " + obj1);work();System.out.println(name + " acquiring lock on " + obj2);synchronized (obj2) {System.out.println(name + " acquired lock on " + obj2);work();}System.out.println(name + " released lock on " + obj2);}System.out.println(name + " released lock on " + obj1);System.out.println(name + " finished execution.");}private void work() {try {Thread.sleep(30000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}} }在上面的程序中同步線程正完成 Runnable 的接口，它工作的是兩個對象，這兩個對象向對方尋求死鎖而且都在使用同步阻塞。在主函數中，我使用了三個為同步線程運行的線程，而且在其中每個線程中都有一個可共享的資源。這些線程以向第一個對象獲取封鎖這種方式運行。但是當它試著向第二個對象獲取封鎖時，它就會進入等待狀態，因為它已經被另一個線程封鎖住了。這樣，在線程引起死鎖的過程中，就形成了一個依賴于資源的循環。當我執行上面的程序時，就產生了輸出，但是程序卻因為死鎖無法停止。輸出如清單 3 所示。
清單 3. 清單 2 運行輸出
t1 acquiring lock on java.lang.Object@1dd3812 t1 acquired lock on java.lang.Object@1dd3812 t2 acquiring lock on java.lang.Object@c791b9 t2 acquired lock on java.lang.Object@c791b9 t3 acquiring lock on java.lang.Object@1aa9f99 t3 acquired lock on java.lang.Object@1aa9f99 t1 acquiring lock on java.lang.Object@c791b9 t2 acquiring lock on java.lang.Object@1aa9f99在此我們可以清楚地在輸出結果中辨認出死鎖局面，但是在我們實際所用的應用中，發現死鎖并將它排除是非常難的。
死鎖情況診斷
JVM 提供了一些工具可以來幫助診斷死鎖的發生，如下面程序清單 4 所示，我們實現了一個死鎖，然后嘗試通過 jstack 命令追蹤、分析死鎖發生。
清單 4. 死鎖代碼
jstack 可用于導出 Java 應用程序的線程堆棧，-l 選項用于打印鎖的附加信息。我們運行 jstack 命令，輸出入清單 5 和 6 所示，其中清單 5 里面可以看到線程處于運行狀態，代碼中調用了擁有鎖投票、定時鎖等候和可中斷鎖等候等特性的 ReentrantLock 鎖機制。清單 6 直接打印出出現死鎖情況，報告 north 和 sourth 兩個線程互相等待資源，出現了死鎖。
清單 5. jstack 運行輸出 1
[root@facenode4 ~]# jstack -l 31274 2015-01-29 12:40:27 Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (20.45-b01 mixed mode):"Attach Listener" daemon prio=10 tid=0x00007f6d3c001000 nid=0x7a87 waiting on condition [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLELocked ownable synchronizers:- None"DestroyJavaVM" prio=10 tid=0x00007f6da4006800 nid=0x7a2b waiting on condition [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLELocked ownable synchronizers:- None"north" prio=10 tid=0x00007f6da4101800 nid=0x7a47 waiting on condition [0x00007f6d8963b000]java.lang.Thread.State: WAITING (parking)at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)- parking to wait for <0x000000075903c7c8> (a java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync)at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:156)at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.parkAndCheckInterrupt(AbstractQueuedSynchronizer.java:811)at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:867)at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1201)at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.lockInterruptibly(ReentrantLock.java:312)at DeadLock.run(DeadLock.java:50)Locked ownable synchronizers:- <0x000000075903c798> (a java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync)"south" prio=10 tid=0x00007f6da4100000 nid=0x7a46 waiting on condition [0x00007f6d8973c000]java.lang.Thread.State: WAITING (parking)at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)- parking to wait for <0x000000075903c798> (a java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync)at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:156)at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.parkAndCheckInterrupt(AbstractQueuedSynchronizer.java:811)at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:867)at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1201)at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.lockInterruptibly(ReentrantLock.java:312)at DeadLock.run(DeadLock.java:28)Locked ownable synchronizers:- <0x000000075903c7c8> (a java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync)"Low Memory Detector" daemon prio=10 tid=0x00007f6da40d2800 nid=0x7a44 runnable [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLELocked ownable synchronizers:- None"C2 CompilerThread1" daemon prio=10 tid=0x00007f6da40d0000 nid=0x7a43 waiting on condition [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLELocked ownable synchronizers:- None"C2 CompilerThread0" daemon prio=10 tid=0x00007f6da40cd000 nid=0x7a42 waiting on condition [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLELocked ownable synchronizers:- None"Signal Dispatcher" daemon prio=10 tid=0x00007f6da40cb000 nid=0x7a41 runnable [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLELocked ownable synchronizers:- None"Finalizer" daemon prio=10 tid=0x00007f6da40af000 nid=0x7a40 in Object.wait() [0x00007f6d89d44000]java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)at java.lang.Object.wait(Native Method)- waiting on <0x0000000759001300> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:118)- locked <0x0000000759001300> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:134)at java.lang.ref.Finalizer$FinalizerThread.run(Finalizer.java:171)Locked ownable synchronizers:- None"Reference Handler" daemon prio=10 tid=0x00007f6da40ad000 nid=0x7a3f in Object.wait() [0x00007f6d89e45000]java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)at java.lang.Object.wait(Native Method)- waiting on <0x00000007590011d8> (a java.lang.ref.Reference$Lock)at java.lang.Object.wait(Object.java:485)at java.lang.ref.Reference$ReferenceHandler.run(Reference.java:116)- locked <0x00000007590011d8> (a java.lang.ref.Reference$Lock)Locked ownable synchronizers:- None"VM Thread" prio=10 tid=0x00007f6da40a6000 nid=0x7a3e runnable "GC task thread#0 (ParallelGC)" prio=10 tid=0x00007f6da4019800 nid=0x7a2c runnable "GC task thread#1 (ParallelGC)" prio=10 tid=0x00007f6da401b000 nid=0x7a2d runnable "GC task thread#2 (ParallelGC)" prio=10 tid=0x00007f6da401d000 nid=0x7a2e runnable "GC task thread#3 (ParallelGC)" prio=10 tid=0x00007f6da401f000 nid=0x7a2f runnable "GC task thread#4 (ParallelGC)" prio=10 tid=0x00007f6da4020800 nid=0x7a30 runnable "GC task thread#5 (ParallelGC)" prio=10 tid=0x00007f6da4022800 nid=0x7a31 runnable "GC task thread#6 (ParallelGC)" prio=10 tid=0x00007f6da4024800 nid=0x7a32 runnable "GC task thread#7 (ParallelGC)" prio=10 tid=0x00007f6da4026000 nid=0x7a33 runnable "GC task thread#8 (ParallelGC)" prio=10 tid=0x00007f6da4028000 nid=0x7a34 runnable "GC task thread#9 (ParallelGC)" prio=10 tid=0x00007f6da402a000 nid=0x7a35 runnable "GC task thread#10 (ParallelGC)" prio=10 tid=0x00007f6da402b800 nid=0x7a36 runnable "GC task thread#11 (ParallelGC)" prio=10 tid=0x00007f6da402d800 nid=0x7a37 runnable "GC task thread#12 (ParallelGC)" prio=10 tid=0x00007f6da402f800 nid=0x7a38 runnable "GC task thread#13 (ParallelGC)" prio=10 tid=0x00007f6da4031000 nid=0x7a39 runnable "GC task thread#14 (ParallelGC)" prio=10 tid=0x00007f6da4033000 nid=0x7a3a runnable "GC task thread#15 (ParallelGC)" prio=10 tid=0x00007f6da4035000 nid=0x7a3b runnable "GC task thread#16 (ParallelGC)" prio=10 tid=0x00007f6da4036800 nid=0x7a3c runnable "GC task thread#17 (ParallelGC)" prio=10 tid=0x00007f6da4038800 nid=0x7a3d runnable "VM Periodic Task Thread" prio=10 tid=0x00007f6da40dd000 nid=0x7a45 waiting on condition JNI global references: 886清單 6. jstack 運行輸出片段 2 WAITING FOR THIS LOCK TO BE GRANTED: RECORD LOCKS space id 0 page no 843102 n bits 600 index `KEY_TSKTASK_MONTIME2` of table`dcnet_db/TSK_TASK` trx id 0 677833454 lock_mode X locks rec but not gap waiting Record lock, heap no 395 PHYSICAL RECORD: n_fields 3; compact format; info bits 0 0: len 8; hex 8000000000000425; asc %;; 1: len 8; hex 800012412c66d29c; asc A,f ;; 2: len 8; hex 800000000097629c; asc b ;;*** WE ROLL BACK TRANSACTION (1)我們假設涉事的數據表上面有一個索引，這次的死鎖就是由于兩條記錄同時訪問到了相同的索引造成的。
我們首先來看看 InnoDB 類型的數據表，只要能夠解決索引問題，就可以解決死鎖問題。MySQL 的 InnoDB 引擎是行級鎖，需要注意的是，這不是對記錄進行鎖定，而是對索引進行鎖定。在 UPDATE、DELETE 操作時，MySQL 不僅鎖定 WHERE 條件掃描過的所有索引記錄，而且會鎖定相鄰的鍵值，即所謂的 next-key locking；
如語句 UPDATE TSK_TASK SET UPDATE_TIME = NOW() WHERE ID > 10000 會鎖定所有主鍵大于等于 1000 的所有記錄，在該語句完成之前，你就不能對主鍵等于 10000 的記錄進行操作；當非簇索引 (non-cluster index) 記錄被鎖定時，相關的簇索引 (cluster index) 記錄也需要被鎖定才能完成相應的操作。
再分析一下發生問題的兩條 SQL 語句：
當“update TSK_TASK set STATUS_ID=1064,UPDATE_TIME=now () where STATUS_ID=1061 and MON_TIME<date_sub(now(), INTERVAL 30 minute)”執行時，MySQL 會使用 KEY_TSKTASK_MONTIME2 索引，因此首先鎖定相關的索引記錄，因為 KEY_TSKTASK_MONTIME2 是非簇索引，為執行該語句，MySQL 還會鎖定簇索引（主鍵索引）。
假設“update TSK_TASK set STATUS_ID=1067,UPDATE_TIME=now () where ID in (9921180)”幾乎同時執行時，本語句首先鎖定簇索引 (主鍵)，由于需要更新 STATUS_ID 的值，所以還需要鎖定 KEY_TSKTASK_MONTIME2 的某些索引記錄。
這樣第一條語句鎖定了 KEY_TSKTASK_MONTIME2 的記錄，等待主鍵索引，而第二條語句則鎖定了主鍵索引記錄，而等待 KEY_TSKTASK_MONTIME2 的記錄，這樣死鎖就產生了。
我們通過拆分第一條語句解決了死鎖問題：即先查出符合條件的 ID：
select ID from TSK_TASK where STATUS_ID=1061 and MON_TIME < date_sub(now(), INTERVAL 30 minute)；然后再更新狀態：
update TSK_TASK set STATUS_ID=1064 where ID in (….);結束語
我們發現，死鎖雖然是較早就被發現的問題，但是很多情況下我們設計的程序里還是經常發生死鎖情況。我們不能只是分析如何解決死鎖這類問題，還需要具體找出預防死鎖的方法，這樣才能從根本上解決問題。總的來說，還是需要系統架構師、程序員不斷積累經驗，從業務邏輯設計層面徹底消除死鎖發生的可能性。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Java 程序死锁问题原理及解决方案的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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