Java中死锁与活锁的具体实现

时间：2023-01-12 12:39:38|栏目：JAVA代码|点击：次

活锁与死锁

活锁

活锁同样会发生在多个相互协作的线程间，当他们为了彼此间的响应而相互礼让，使得没有一个线程能够继续前进，那么就发生了活锁。同死锁一样，发生活锁的线程无法继续执行。

相当于两个在半路相遇的人：出于礼貌他们相互礼让，避开对方的路，但是在另一条路上又相遇了。就这样，不停地一直避让下去。。。。

死锁

两个或更多线程阻塞着等待其它处于死锁状态的线程所持有的锁。死锁通常发生在多个线程同时但以不同的顺序请求同一组锁的时候，死锁会让你的程序挂起无法完成任务。

死锁的四个必要条件

在 Java 中使用多线程，就会有可能导致死锁问题。死锁会让程序一直卡住，不再程序往下执行。我们只能通过中止并重启的方式来让程序重新执行。这是我们非常不愿意看到的一种现象，我们要尽可能避免死锁的情况发生！

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完释放。

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{A，B，C，···，Z} 中的A正在等待一个B占用的资源；B正在等待C占用的资源，……，Z正在等待已被A占用的资源。

死锁示例

/** @author Strive */
@SuppressWarnings("all")
public class DeadLock implements Runnable {
  public int flag = 1;

  /** 面包 */
  private static final Object bread = new Object();

  /** 水 */
  private static final Object water = new Object();

  @Override
  public void run() {
    if (flag == 1) {
      // 先吃面包再喝水，环路等待条件
      synchronized (bread) {
        try {
          Thread.sleep(500);
        } catch (Exception e) {
          e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("面包吃了，等喝水。。。");
        synchronized (water) {
          System.out.println("面包吃了，水也喝到了");
        }
      }
    }
    if (flag == 0) {
      // 先喝水再吃面包，环路等待条件
      synchronized (water) {
        try {
          Thread.sleep(500);
        } catch (Exception e) {
          e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("喝完水，等吃面包了。。。");
        synchronized (bread) {
          System.out.println("喝完水，面包也吃完了。。。");
        }
      }
    }
  }

  public static void main(String[] args) {
    DeadLock lockBread = new DeadLock();
    DeadLock lockWater = new DeadLock();
    lockBread.flag = 1;
    lockWater.flag = 0;
    // lockBread,lockWater 都处于可执行状态，但 JVM 线程调度先执行哪个线程是不确定的。
    // lockWater 的 run() 可能在 lockBread 的 run() 之前运行
    new Thread(lockBread).start();
    new Thread(lockWater).start();
  }
}

程序运行结果：

喝完水，等吃面包了。。。
面包吃了，等喝水。。。

死锁排查

先执行上面的代码，再进行排查！

1、使用 jps -l

D:\workspace-code\gitee\dolphin>jps -l
7072 org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher
8824 sun.tools.jps.Jps
17212
4012 com.dolphin.thread.locks.DeadLock
6684 org.jetbrains.idea.maven.server.RemoteMavenServer36

4012 com.dolphin.thread.locks.DeadLock，粘贴进程号 4012

2、使用 jstack 4012

... ...
Java stack information for the threads listed above:
===================================================
"Thread-1":
        at com.dolphin.thread.locks.DeadLock.run(DeadLock.java:40)
        - waiting to lock <0x000000076bf9e3d8> (a java.lang.Object)
        - locked <0x000000076bf9e3e8> (a java.lang.Object)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
"Thread-0":
        at com.dolphin.thread.locks.DeadLock.run(DeadLock.java:26)
        - waiting to lock <0x000000076bf9e3e8> (a java.lang.Object)
        - locked <0x000000076bf9e3d8> (a java.lang.Object)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

Found 1 deadlock.

从打印信息我们可以看出：

Found 1 deadlock：发现一个死锁；
Thread-1 locked <0x000000076bf9e3e8> waiting to lock <0x000000076bf9e3d8>：线程1，锁住了 0x000000076bf9e3e8 等待 0x000000076bf9e3d8 锁；
Thread-0 locked <0x000000076bf9e3d8> waiting to lock <0x000000076bf9e3e8>：线程0，锁住了 0x000000076bf9e3d8 等待 0x000000076bf9e3e8 锁；

总结一下

当 DeadLock 类的对象 flag=1 时（lockBread），先锁定 bread，睡眠500毫秒；
而 lockBread 在睡眠的时候另一个 flag==0 的对象（lockWater）线程启动，先锁定 water，睡眠500毫秒；
lockBread 睡眠结束后需要锁定 water 才能继续执行，而此时 water 已被 lockWater 锁定；
lockWater 睡眠结束后需要锁定 bread 才能继续执行，而此时 bread 已被 lockBread 锁定；
lockBread、lockWater 相互等待，都需要得到对方锁定的资源才能继续执行，从而死锁；

如何避免死锁

预防死锁

其实就是破坏死锁的四个必要条件！！！

破坏互斥条件：使资源同时访问而非互斥使用，就没有进程会阻塞在资源上，从而不发生死锁。
破坏请求和保持条件：采用静态分配的方式，静态分配的方式是指进程必须在执行之前就申请需要的全部资源，且直至所要的资源全部得到满足后才开始执行，只要有一个资源得不到分配，也不给这个进程分配其他的资源。
破坏不剥夺条件：即当某进程获得了部分资源，但得不到其它资源，则释放已占有的资源，但是只适用于内存和处理器资源。
破坏循环等待条件：给系统的所有资源编号，规定进程请求所需资源的顺序必须按照资源的编号依次进行。

设置加锁顺序

两个线程试图以不同的顺序来获得相同的锁，如果按照相同的顺序来请求锁，那么就不会出现循环的加锁依赖性，因此也就不会产生死锁，每个需要锁面包和锁水的线程都以相同的顺序来获取面包和水，那么就不会发生死锁了，如下图所示：

根据上图我们修改一下之前写的死锁代码，消除死锁！

@Override
public void run() {
    if (flag == 1) {
        // 先吃面包再喝水，环路等待条件
        synchronized (bread) {
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("面包吃了，等喝水。。。");
        }

        synchronized (water) {
            System.out.println("面包吃了，水也喝到了");
        }
    }
    if (flag == 0) {
        // 先喝水再吃面包，环路等待条件
        synchronized (water) {
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("喝完水，等吃面包了。。。");
        }

        synchronized (bread) {
            System.out.println("喝完水，面包也吃完了。。。");
        }
    }
}

程序运行结果：

喝完水，等吃面包了。。。
面包吃了，等喝水。。。
面包吃了，水也喝到了
喝完水，面包也吃完了。。。

这样就可以消除死锁发生~~~

活锁示例

import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/** @author Strive */
public class LiveLock {
  static ReentrantLock bread = new ReentrantLock();
  static ReentrantLock water = new ReentrantLock();

  public static void main(String[] args) {
    String name = ManagementFactory.getRuntimeMXBean().getName();
    String pid = name.split("@")[0];
    System.out.println("Pid is:" + pid);
    System.out.println("jstack " + pid);

    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();

    executorService.submit(
        () -> {
          try {
            // 尝试获得 bread 锁
            while (bread.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS)) {
              System.out.println("拿到面包了，等着拿水。。。");
              TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

              // 判断 water 是否被锁住，如果锁住，退出！再次尝试获取 water 锁
              boolean locked = water.isLocked();
              if (locked) {
                bread.unlock();
                continue;
              }

              // 尝试获得 water 锁
              boolean w = water.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS);
              // 如果没有获取到 water 锁，释放 bread 锁，再次尝试！
              if (!w) {
                bread.unlock();
                continue;
              }
              System.out.println("拿到水了");
              break;
            }
            System.out.println("吃面包，喝水！");
          } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("线程中断");
          } finally {
            water.unlock();
            bread.unlock();
          }
        });

    executorService.submit(
        () -> {
          try {
            while (water.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS)) {
              System.out.println("拿到水了，等着拿面包。。。");
              TimeUnit.SECONDS.sleep(2);

              // 判断 bread 是否被锁住，如果锁住，退出！再次尝试获取 bread 锁
              boolean locked = bread.isLocked();
              if (locked) {
                water.unlock();
                continue;
              }

              // 尝试获得 bread 锁
              boolean b = bread.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS);
              // 如果没有获取到 bread 锁，释放 water 锁，再次尝试！
              if (!b) {
                water.unlock();
                continue;
              }
              System.out.println("拿到面包了");
              break;
            }
            System.out.println("喝水，吃面包！");
          } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("线程中断");
          } finally {
            bread.unlock();
            water.unlock();
          }
        });
    executorService.shutdown();
  }
}

程序运行结果：

Pid is:8788
jstack 8788
拿到面包了，等着拿水。。。
拿到水了，等着拿面包。。。
拿到面包了，等着拿水。。。
拿到水了，等着拿面包。。。
拿到面包了，等着拿水。。。
拿到面包了，等着拿水。。。
拿到水了，等着拿面包。。。

已经输出打印了 Pid，尝试自己用 jstack 调试一下吧！可以参考如何排查死锁的章节~

解决活锁

锁让出的时候添加随机睡眠时间

修改上面的程序，参考下面的代码：

executorService.submit(
        () -> {
          try {
            // 尝试获得 bread 锁
            while (bread.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS)) {
              System.out.println("拿到面包了，等着拿水。。。");
              TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

              // 判断 water 是否被锁住，如果锁住，退出！再次尝试获取 water 锁
              boolean locked = water.isLocked();
              if (locked) {
                bread.unlock();
                // 避免活锁
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);
                continue;
              }

              // 尝试获得 water 锁
              boolean w = water.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS);
              // 如果没有获取到 water 锁，释放 bread 锁，再次尝试！
              if (!w) {
                bread.unlock();
                continue;
              }
              System.out.println("拿到水了");
              break;
            }
            System.out.println("吃面包，喝水！");
          } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("线程中断");
          } finally {
            water.unlock();
            bread.unlock();
          }
        });

executorService.submit(
    () -> {
        try {
            while (water.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS)) {
                System.out.println("拿到水了，等着拿面包。。。");
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);

                // 判断 bread 是否被锁住，如果锁住，退出！再次尝试获取 bread 锁
                boolean locked = bread.isLocked();
                if (locked) {
                    water.unlock();
                    // 避免活锁
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1500);
                    continue;
                }

                // 尝试获得 bread 锁
                boolean b = bread.tryLock(10, TimeUnit.SECONDS);
                // 如果没有获取到 bread 锁，释放 water 锁，再次尝试！
                if (!b) {
                    water.unlock();
                    continue;
                }
                System.out.println("拿到面包了");
                break;
            }
            System.out.println("喝水，吃面包！");
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("线程中断");
        } finally {
            bread.unlock();
            water.unlock();
        }
    });
executorService.shutdown();

程序输出结果：