专栏首页慕容千语的架构笔记Java架构进阶笔记:一不小心就死锁了,怎么办?

Java架构进阶笔记:一不小心就死锁了,怎么办?

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:

  1. 文件架上恰好有转出账本和转入账本,那就同时拿走;
  2. 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;
  3. 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:

  1. 互斥,共享资源 X 和 Y 只能被一个线程占用;
  2. 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;
  3. 不可抢占,其他线程不能强行抢占线程 T1 占有的资源;
  4. 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?

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。

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原始发表时间:2021-03-19

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