什么情况下Java程序会产生死锁？如何定位、修复？

王小明_HIT

发布于 2020-05-08 18:11:43

1.5K0

发布于 2020-05-08 18:11:43

文章被收录于专栏：程序员奇点

什么情况下Java程序会产生死锁？如何定位、修复？

死锁

死锁只一种特定的程序状态，在实体之间，由于循环依赖导致一直处于等待之中，没有任何个体可以继续前进，死锁不仅仅是线程之间会发生，存在独占的进程之间同样也可能出现死锁，通常来说，我们大多数聚集在多线程场景中的死锁，指的是两个或者多个线程之间，由于相互等待需要对方需要的锁，而永久阻塞的状态。

产生死锁的四个必要条件：

互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。
请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
不剥夺条件:进程已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。
循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

image

定位死锁

定位死锁最常见的方式就是利用 jstack等工具获取线程栈，然后定位互相之间的依赖关系，进而找到死锁。如果是比较明显的死锁，往往 jstack等就能直接定位，类似 JConsole甚至可以再图形界面进行有限的死锁监测。

针对死锁，可以深入考察

抛开字面上的概念，让面试者写一个可能死锁的程序，顺便也考察下基本的线程编程。
诊断死锁有哪些工具，如果是分布式环境，可能更关心能否用API实现吗？
后期诊断死锁还是挺痛苦的，经常加，如何在编程中尽量避免一些典型场景的死锁，有其他工貝辅助吗？

写个死锁的程序

public class DeadLockSample extends Thread{
    private String first;
    private String second;
    public  DeadLockSample(String name, String first,String second){
        super(name);
        this.first = first;
        this.second = second;
    }
    
    /**
     * @see java.lang.Thread#run()
     */
    @Override
    public void run() {
       synchronized(first){
           System.out.println(this.getName()+" obtained "+ first);
           try {
            Thread.sleep(1000L);
            synchronized(second){
                System.out.println(this.getName()+" obtained "+ second);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
       }
    }

    /**
     * @param args
     * @throws InterruptedException
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        String lockA = "lockA";
        String lockB = "lockB";
        DeadLockSample t1 = new DeadLockSample("Thread1", lockA, lockB);
        DeadLockSample t2 = new DeadLockSample("Thread2", lockB, lockA);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
    }

}

运行结果

Thread2 obtained lockB
Thread1 obtained lockA

jstack 线程 dump 文件分析

image

最后，结合代码分析线程栈信息。上面这个输出非常明显，找到处于BLOCKED状态的线程，按照试图获取（ waiting）的锁ID（请看我标记为相同颜色的数字）查找，很快就定位问题。jstack本身也会把类似的简单死锁抽取出来，直接打印出来在实际应用中，类死锁情况未必有如此清晰的输出，但是总体上可以理解为区分线程状态->查看等待目标->对比 Monitor等持有状态。

写个定位死锁的方法

使用 java 握倛的标准管理API, ThreadMXBean，其直接就提供了 findDeadlockedthreads() 方法

https://docs.oracle.com/javase/9/docs/api/java/lang/management/ThreadMXBean.html#findDeadlockedThreads--

public class DeadLockFinderSample extends Thread {
    private String first;

    private String second;

    public DeadLockFinderSample(String name, String first, String second) {
        super(name);
        this.first = first;
        this.second = second;
    }

    /**
     * @see java.lang.Thread#run()
     */
    @Override
    public void run() {
        synchronized (first) {
            System.out.println(this.getName() + " obtained " + first);
            try {
                Thread.sleep(1000L);
                synchronized (second) {
                    System.out.println(this.getName() + " obtained " + second);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    /**
     * @param args
     * @throws InterruptedException
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
        ThreadMXBean mbean = (ThreadMXBean) ManagementFactory.getThreadMXBean();
        Runnable dlcheck = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                long[] threadIds = mbean.findDeadlockedThreads();
                if (threadIds != null) {
                    ThreadInfo[] threadInfos = mbean.getThreadInfo(threadIds);
                    System.out.println("Detected deadlock threads:");
                    for (ThreadInfo threadInfo : threadInfos) {
                        System.out.println(threadInfo.getThreadName());
                    }
                }
            }
        };
        ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newScheduledThreadPool(1);
        // 等待1s 每2s 进行一次死锁扫描
        scheduler.scheduleAtFixedRate(dlcheck, 1L, 2L, TimeUnit.SECONDS);
        
        String lockA = "lockA";
        String lockB = "lockB";
        DeadLockSample t1 = new DeadLockSample("Thread1", lockA, lockB);
        DeadLockSample t2 = new DeadLockSample("Thread2", lockB, lockA);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
    }

}

运行结果

Thread1 obtained lockA
Thread2 obtained lockB
Detected deadlock threads:
Thread2
Thread1
Detected deadlock threads:
Thread2
Thread1
Detected deadlock threads:
Thread2
Thread1

如何预防死锁

死锁的4个条件

互斥
不可剥夺
循环等待
请求保持

方法一

避免使用多个锁，并且只有需要时才持有锁，嵌套的 synchronized 或者 lock 非常容易出现问题。

方法二

如果必须要使用锁，尽量设计好锁的获取顺序，可以参考银行家算法。

https://en.wikipedia.org/wiki/Banker%27s_algorithm
一般的情况，我建议可以采取些简单的辅助手段，比如：将对象（方法）和锁之间的关系，用图形化的方式表示分别抽取出来，以今天最初的死锁为例，因为是调用了同一个线程所以更加简单。

image

然后根据对象之间组合、调用的关系对比和组合，考虑可能调用时序。

image

按照可能时序合并，发现可能死锁的场景。

image

方法三

使用带超时的方法，为程序带来更多可控性。Object.wait（…）或者 CountDownLatch await（…），都支持所谓的 timed wait，我们完全可以就不假定该锁一定会获得，指定超时时间，并为无法得到锁时准备退出逻辑。并发Lock实现，如 ReentrantLock还支持非阻塞式的获取锁操作 tryLock（），这是一个插队行为（ barging），并不在乎等待的公平性，如果执行时对象怡好没有被独占，则直接获取锁。有时，我们希望条件允许就尝试插队，不然就按照现有公平性规则等待，一般采用下面的方法

if(lock.tryLock() || lock.tryLock(timeout, unit)){
    // ...
}

方法四

业界也有一些其他方面的尝试，比如通过静态代码分析（如 FindBugs）去查找固定的模式，进而定位可能的死锁或者竟争情况。实践证明这种方法也有一定作用，请參考担关文档。除了典型应用中的死锁场景，其实还有一些更令人头疼的死锁，比如类加载过程发生的死锁，尤其是在框架大量使用自定义类加载时，因为往往不是在应用本身的代码库中， jstack等工具也不见得能够显示全部锁信息，所以处理起来比较棘手。对此，Java有方文档进行了详细解释。