Java 死锁解决方案顺序锁和轮询锁
时间：2022-09-05 10:55:04 | 栏目：JAVA代码 | 点击：次
前言：
死锁（Dead Lock）指的是两个或两个以上的运算单元（进程、线程或协程），都在等待对方停止执行，以取得系统资源，但是没有一方提前退出，就称为死锁。
死锁示例代码如下：
public class DeadLockExample {
public static void main(String[] args) {
Object lockA = new Object(); // 创建锁 A
Object lockB = new Object(); // 创建锁 B
// 创建线程 1
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (lockA) {
System.out.println("线程 1:获取到锁 A!");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程 1:等待获取 B...");
synchronized (lockB) {
System.out.println("线程 1:获取到锁 B!");
}
}
}
});
t1.start(); // 运行线程
// 创建线程 2
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (lockB) {
System.out.println("线程 2:获取到锁 B!");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程 2:等待获取 A...");
synchronized (lockA) {
System.out.println("线程 2:获取到锁 A!");
}
}
}
});
t2.start(); // 运行线程
}
}
以上程序的执行结果如下：
从上述结果可以看出，线程 1 和线程 2 都进入了死锁状态，相互都在等待对方释放锁。
从上述示例分析可以得出，产生死锁需要满足以下 4 个条件：
- 互斥条件：指运算单元（进程、线程或协程）对所分配到的资源具有排它性，也就是说在一段时间内某个锁资源只能被一个运算单元所占用。
- 请求和保持条件：指运算单元已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它运算单元占有，此时请求运算单元阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。
- 不可剥夺条件：指运算单元已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺。
- 环路等待条件：指在发生死锁时，必然存在运算单元和资源的环形链，即运算单元正在等待另一个运算单元占用的资源，而对方又在等待自己占用的资源，从而造成环路等待的情况。
只有这 4 个条件同时满足，才会造成死锁的问题。
那么也就是说，要产生死锁必须要同时满足以上 4 个条件才行，那我们就可以通过破坏任意一个条件来解决死锁问题了。
死锁解决方案分析
接下来我们来分析一下，产生死锁的 4 个条件，哪些是可以破坏的？哪些是不能被破坏的？
- 互斥条件：系统特性，不能被破坏。
- 请求和保持条件：可以被破坏。
- 不可剥夺条件：系统特性，不能被破坏。
- 环路等待条件：可以被破坏。
通过上述分析，我们可以得出结论，我们只能通过破坏请求和保持条件或者是环路等待条件，从而来解决死锁的问题，那上线，我们就先从破坏“环路等待条件”开始来解决死锁问题。
解决方案1：顺序锁
所谓的顺序锁指的是通过有顺序的获取锁，从而避免产生环路等待条件，从而解决死锁问题的。?
当我们没有使用顺序锁时，程序的执行可能是这样的：
线程 1 先获取了锁 A，再获取锁 B，线程 2 与 线程 1 同时执行，线程 2 先获取锁 B，再获取锁 A，这样双方都先占用了各自的资源（锁 A 和锁 B）之后，再尝试获取对方的锁，从而造成了环路等待问题，最后造成了死锁的问题。
此时我们只需要将线程 1 和线程 2 获取锁的顺序进行统一，也就是线程 1 和线程 2 同时执行之后，都先获取锁 A，再获取锁 B，执行流程如下图所示：
因为只有一个线程能成功获取到锁 A，没有获取到锁 A 的线程就会等待先获取锁 A，此时得到锁 A 的线程继续获取锁 B，因为没有线程争抢和拥有锁 B，那么得到锁 A 的线程就会顺利的拥有锁 B，之后执行相应的代码再将锁资源全部释放，然后另一个等待获取锁 A 的线程就可以成功获取到锁资源，执行后续的代码，这样就不会出现死锁的问题了。
顺序锁的实现代码如下所示：
public class SolveDeadLockExample {
public static void main(String[] args) {
Object lockA = new Object(); // 创建锁 A
Object lockB = new Object(); // 创建锁 B
// 创建线程 1
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (lockA) {
System.out.println("线程 1:获取到锁 A!");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程 1:等待获取 B...");
synchronized (lockB) {
System.out.println("线程 1:获取到锁 B!");
}
}
}
});
t1.start(); // 运行线程
// 创建线程 2
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (lockA) {
System.out.println("线程 2:获取到锁 A!");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程 2:等待获取B...");
synchronized (lockB) {
System.out.println("线程 2:获取到锁 B!");
}
}
}
});
t2.start(); // 运行线程
}
}
以上程序的执行结果如下：
从上述执行结果可以看出，程序并没有出现死锁的问题。
解决方案2：轮询锁
轮询锁是通过打破“请求和保持条件”来避免造成死锁的，它的实现思路简单来说就是通过轮询来尝试获取锁，如果有一个锁获取失败，则释放当前线程拥有的所有锁，等待下一轮再尝试获取锁。
轮询锁的实现需要使用到 ReentrantLock 的 tryLock 方法，具体实现代码如下：
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(); // 创建锁 A
Lock lockB = new ReentrantLock(); // 创建锁 B
// 创建线程 1(使用轮询锁)
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 调用轮询锁
pollingLock(lockA, lockB);
}
});
t1.start(); // 运行线程
// 创建线程 2
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
lockB.lock(); // 加锁
System.out.println("线程 2:获取到锁 B!");
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.println("线程 2:等待获取 A...");
lockA.lock(); // 加锁
try {
System.out.println("线程 2:获取到锁 A!");
} finally {
lockA.unlock(); // 释放锁
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lockB.unlock(); // 释放锁
}
}
});
t2.start(); // 运行线程
}
/**
* 轮询锁
*/
public static void pollingLock(Lock lockA, Lock lockB) {
while (true) {
if (lockA.tryLock()) { // 尝试获取锁
System.out.println("线程 1:获取到锁 A!");
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.println("线程 1:等待获取 B...");
if (lockB.tryLock()) { // 尝试获取锁
try {
System.out.println("线程 1:获取到锁 B!");
} finally {
lockB.unlock(); // 释放锁
System.out.println("线程 1:释放锁 B.");
break;
}
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lockA.unlock(); // 释放锁
System.out.println("线程 1:释放锁 A.");
}
}
// 等待一秒再继续执行
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
以上程序的执行结果如下：
从上述结果可以看出，以上代码也没有出现死锁的问题。
总结
本文介绍了解决死锁的 2 种方案：
- 第 1 种顺序锁：通过改变获取锁的顺序也就打破“环路请求条件”来避免死锁问题的发生；
- 第 2 种轮询锁：通过轮询的方式也就是打破“请求和拥有条件”来解决死锁问题。它的实现思路是，通过自旋的方式来尝试获取锁，在获取锁的途中，如果有任何一个锁获取失败，则释放之前获取的所有锁，等待一段时间之后再次执行之前的流程，这样就避免一个锁一直（被一个线程）占用的尴尬了，从而避免了死锁问题。