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面试官:什么是死锁?怎么排查死锁?怎么避免死锁?

突然发现我的图解系统缺了「死锁」的内容,这就来补下。

在面试过程中,死锁也是高频的考点,因为如果线上环境真多发生了死锁,那真的出大事了。

这次,我们就来系统地聊聊死锁的问题。

  • 死锁的概念;
  • 模拟死锁问题的产生;
  • 利用工具排查死锁问题;
  • 避免死锁问题的发生;

死锁的概念

在多线程编程中,我们为了防止多线程竞争共享资源而导致数据错乱,都会在操作共享资源之前加上互斥锁,只有成功获得到锁的线程,才能操作共享资源,获取不到锁的线程就只能等待,直到锁被释放。

那么,当两个线程为了保护两个不同的共享资源而使用了两个互斥锁,那么这两个互斥锁应用不当的时候,可能会造成两个线程都在等待对方释放锁,在没有外力的作用下,这些线程会一直相互等待,就没办法继续运行,这种情况就是发生了死锁

举个例子,小林拿了小美房间的钥匙,而小林在自己的房间里,小美拿了小林房间的钥匙,而小美也在自己的房间里。如果小林要从自己的房间里出去,必须拿到小美手中的钥匙,但是小美要出去,又必须拿到小林手中的钥匙,这就形成了死锁。

死锁只有同时满足以下四个条件才会发生:

  • 互斥条件;
  • 持有并等待条件;
  • 不可剥夺条件;
  • 环路等待条件;
互斥条件

互斥条件是指多个线程不能同时使用同一个资源

比如下图,如果线程 A 已经持有的资源,不能再同时被线程 B 持有,如果线程 B 请求获取线程 A 已经占用的资源,那线程 B 只能等待,直到线程 A 释放了资源。

持有并等待条件

持有并等待条件是指,当线程 A 已经持有了资源 1,又想申请资源 2,而资源 2 已经被线程 C 持有了,所以线程 A 就会处于等待状态,但是线程 A 在等待资源 2 的同时并不会释放自己已经持有的资源 1

不可剥夺条件

不可剥夺条件是指,当线程已经持有了资源 ,在自己使用完之前不能被其他线程获取,线程 B 如果也想使用此资源,则只能在线程 A 使用完并释放后才能获取。

环路等待条件

环路等待条件指都是,在死锁发生的时候,两个线程获取资源的顺序构成了环形链

比如,线程 A 已经持有资源 2,而想请求资源 1, 线程 B 已经获取了资源 1,而想请求资源 2,这就形成资源请求等待的环形图。


模拟死锁问题的产生

Talk is cheap. Show me the code.

下面,我们用代码来模拟死锁问题的产生。

首先,我们先创建 2 个线程,分别为线程 A 和 线程 B,然后有两个互斥锁,分别是 mutex_A 和 mutex_B,代码如下:

pthread_mutex_t mutex_A = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex_B = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

int main()
{
    pthread_t tidA, tidB;
    
    //创建两个线程
    pthread_create(&tidA, NULL, threadA_proc, NULL);
    pthread_create(&tidB, NULL, threadB_proc, NULL);
    
    pthread_join(tidA, NULL);
    pthread_join(tidB, NULL);
    
    printf("exit\n");
    
    return 0;
}
复制代码

接下来,我们看下线程 A 函数做了什么。

//线程函数 A
void *threadA_proc(void *data)
{
    printf("thread A waiting get ResourceA \n");
    pthread_mutex_lock(&mutex_A);
    printf("thread A got ResourceA \n");
    
    sleep(1);
    
    printf("thread A waiting get ResourceB \n");
    pthread_mutex_lock(&mutex_B);
    printf("thread A got ResourceB \n");

    pthread_mutex_unlock(&mutex_B);
    pthread_mutex_unlock(&mutex_A);
    return (void *)0;
}
复制代码

可以看到,线程 A 函数的过程:

  • 先获取互斥锁 A,然后睡眠 1 秒;
  • 再获取互斥锁 B,然后释放互斥锁 B;
  • 最后释放互斥锁 A;
//线程函数 B
void *threadB_proc(void *data)
{
    printf("thread B waiting get ResourceB \n");
    pthread_mutex_lock(&mutex_B);
    printf("thread B got ResourceB \n");
    
    sleep(1);
    
    printf("thread B waiting  get ResourceA \n");
    pthread_mutex_lock(&mutex_A);
    printf("thread B got ResourceA \n");
    
    pthread_mutex_unlock(&mutex_A);
    pthread_mutex_unlock(&mutex_B);
    return (void *)0;
}
复制代码

可以看到,线程 B 函数的过程:

  • 先获取互斥锁 B,然后睡眠 1 秒;
  • 再获取互斥锁 A,然后释放互斥锁 A;
  • 最后释放互斥锁 B;

然后,我们运行这个程序,运行结果如下:

thread B waiting get ResourceB 
thread B got ResourceB 
thread A waiting get ResourceA 
thread A got ResourceA 
thread B waiting get ResourceA 
thread A waiting get ResourceB 
// 阻塞中。。。
复制代码

可以看到线程 B 在等待互斥锁 A 的释放,线程 A 在等待互斥锁 B 的释放,双方都在等待对方资源的释放,很明显,产生了死锁问题。


利用工具排查死锁问题

如果你想排查你的 Java 程序是否死锁,则可以使用 jstack 工具,它是 jdk 自带的线程堆栈分析工具。

由于小林的死锁代码例子是 C 写的,在 Linux 下,我们可以使用 pstack + gdb 工具来定位死锁问题。

pstack 命令可以显示每个线程的栈跟踪信息(函数调用过程),它的使用方式也很简单,只需要 pstack <pid> 就可以了。

那么,在定位死锁问题时,我们可以多次执行 pstack 命令查看线程的函数调用过程,多次对比结果,确认哪几个线程一直没有变化,且是因为在等待锁,那么大概率是由于死锁问题导致的。

我用 pstack 输出了我前面模拟死锁问题的进程的所有线程的情况,我多次执行命令后,其结果都一样,如下:

$ pstack 87746
Thread 3 (Thread 0x7f60a610a700 (LWP 87747)):
#0  0x0000003720e0da1d in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
#1  0x0000003720e093ca in _L_lock_829 () from /lib64/libpthread.so.0
#2  0x0000003720e09298 in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
#3  0x0000000000400725 in threadA_proc ()
#4  0x0000003720e07893 in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#5  0x00000037206f4bfd in clone () from /lib64/libc.so.6
Thread 2 (Thread 0x7f60a5709700 (LWP 87748)):
#0  0x0000003720e0da1d in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
#1  0x0000003720e093ca in _L_lock_829 () from /lib64/libpthread.so.0
#2  0x0000003720e09298 in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
#3  0x0000000000400792 in threadB_proc ()
#4  0x0000003720e07893 in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#5  0x00000037206f4bfd in clone () from /lib64/libc.so.6
Thread 1 (Thread 0x7f60a610c700 (LWP 87746)):
#0  0x0000003720e080e5 in pthread_join () from /lib64/libpthread.so.0
#1  0x0000000000400806 in main ()

....

$ pstack 87746
Thread 3 (Thread 0x7f60a610a700 (LWP 87747)):
#0  0x0000003720e0da1d in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
#1  0x0000003720e093ca in _L_lock_829 () from /lib64/libpthread.so.0
#2  0x0000003720e09298 in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
#3  0x0000000000400725 in threadA_proc ()
#4  0x0000003720e07893 in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#5  0x00000037206f4bfd in clone () from /lib64/libc.so.6
Thread 2 (Thread 0x7f60a5709700 (LWP 87748)):
#0  0x0000003720e0da1d in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
#1  0x0000003720e093ca in _L_lock_829 () from /lib64/libpthread.so.0
#2  0x0000003720e09298 in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
#3  0x0000000000400792 in threadB_proc ()
#4  0x0000003720e07893 in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#5  0x00000037206f4bfd in clone () from /lib64/libc.so.6
Thread 1 (Thread 0x7f60a610c700 (LWP 87746)):
#0  0x0000003720e080e5 in pthread_join () from /lib64/libpthread.so.0
#1  0x0000000000400806 in main ()
复制代码

可以看到,Thread 2 和 Thread 3 一直阻塞获取锁(pthread_mutex_lock)的过程,而且 pstack 多次输出信息都没有变化,那么可能大概率发生了死锁。

但是,还不能够确认这两个线程是在互相等待对方的锁的释放,因为我们看不到它们是等在哪个锁对象,于是我们可以使用 gdb 工具进一步确认。

整个 gdb 调试过程,如下:

// gdb 命令
$ gdb -p 87746

// 打印所有的线程信息
(gdb) info thread
  3 Thread 0x7f60a610a700 (LWP 87747)  0x0000003720e0da1d in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
  2 Thread 0x7f60a5709700 (LWP 87748)  0x0000003720e0da1d in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
* 1 Thread 0x7f60a610c700 (LWP 87746)  0x0000003720e080e5 in pthread_join () from /lib64/libpthread.so.0
//最左边的 * 表示 gdb 锁定的线程,切换到第二个线程去查看

// 切换到第2个线程
(gdb) thread 2
[Switching to thread 2 (Thread 0x7f60a5709700 (LWP 87748))]#0  0x0000003720e0da1d in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0 

// bt 可以打印函数堆栈,却无法看到函数参数,跟 pstack 命令一样 
(gdb) bt
#0  0x0000003720e0da1d in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
#1  0x0000003720e093ca in _L_lock_829 () from /lib64/libpthread.so.0
#2  0x0000003720e09298 in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
#3  0x0000000000400792 in threadB_proc (data=0x0) at dead_lock.c:25
#4  0x0000003720e07893 in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#5  0x00000037206f4bfd in clone () from /lib64/libc.so.6

// 打印第三帧信息,每次函数调用都会有压栈的过程,而 frame 则记录栈中的帧信息
(gdb) frame 3
#3  0x0000000000400792 in threadB_proc (data=0x0) at dead_lock.c:25
27    printf("thread B waiting get ResourceA \n");
28    pthread_mutex_lock(&mutex_A);

// 打印mutex_A的值 ,  __owner表示gdb中标示线程的值,即LWP
(gdb) p mutex_A
$1 = {__data = {__lock = 2, __count = 0, __owner = 87747, __nusers = 1, __kind = 0, __spins = 0, __list = {__prev = 0x0, __next = 0x0}}, 
  __size = "\002\000\000\000\000\000\000\000\303V\001\000\001", '\000' <repeats 26 times>, __align = 2}

// 打印mutex_B的值 ,  __owner表示gdb中标示线程的值,即LWP
(gdb) p mutex_B
$2 = {__data = {__lock = 2, __count = 0, __owner = 87748, __nusers = 1, __kind = 0, __spins = 0, __list = {__prev = 0x0, __next = 0x0}}, 
  __size = "\002\000\000\000\000\000\000\000\304V\001\000\001", '\000' <repeats 26 times>, __align = 2}  
复制代码

我来解释下,上面的调试过程:

  1. 通过 info thread 打印了所有的线程信息,可以看到有 3 个线程,一个是主线程(LWP 87746),另外两个都是我们自己创建的线程(LWP 87747 和 87748);
  2. 通过 thread 2,将切换到第 2 个线程(LWP 87748);
  3. 通过 bt,打印线程的调用栈信息,可以看到有 threadB_proc 函数,说明这个是线程 B 函数,也就说 LWP 87748 是线程 B;
  4. 通过 frame 3,打印调用栈中的第三个帧的信息,可以看到线程 B 函数,在获取互斥锁 A 的时候阻塞了;
  5. 通过 p mutex_A,打印互斥锁 A 对象信息,可以看到它被 LWP 为 87747(线程 A) 的线程持有着;
  6. 通过 p mutex_B,打印互斥锁 A 对象信息,可以看到他被 LWP 为 87748 (线程 B) 的线程持有着;

因为线程 B 在等待线程 A 所持有的 mutex_A, 而同时线程 A 又在等待线程 B 所拥有的mutex_B, 所以可以断定该程序发生了死锁。


避免死锁问题的发生

前面我们提到,产生死锁的四个必要条件是:互斥条件、持有并等待条件、不可剥夺条件、环路等待条件。

那么避免死锁问题就只需要破环其中一个条件就可以,最常见的并且可行的就是使用资源有序分配法,来破环环路等待条件

那什么是资源有序分配法呢?

线程 A 和 线程 B 获取资源的顺序要一样,当线程 A 是先尝试获取资源 A,然后尝试获取资源 B 的时候,线程 B 同样也是先尝试获取资源 A,然后尝试获取资源 B。也就是说,线程 A 和 线程 B 总是以相同的顺序申请自己想要的资源。

我们使用资源有序分配法的方式来修改前面发生死锁的代码,我们可以不改动线程 A 的代码。

我们先要清楚线程 A 获取资源的顺序,它是先获取互斥锁 A,然后获取互斥锁 B。

所以我们只需将线程 B 改成以相同顺序的获取资源,就可以打破死锁了。

线程 B 函数改进后的代码如下:

//线程 B 函数,同线程 A 一样,先获取互斥锁 A,然后获取互斥锁 B
void *threadB_proc(void *data)
{
    printf("thread B waiting get ResourceA \n");
    pthread_mutex_lock(&mutex_A);
    printf("thread B got ResourceA \n");
    
    sleep(1);
    
    printf("thread B waiting  get ResourceB \n");
    pthread_mutex_lock(&mutex_B);
    printf("thread B got ResourceB \n");
    
    pthread_mutex_unlock(&mutex_B);
    pthread_mutex_unlock(&mutex_A);
    return (void *)0;
}
复制代码

执行结果如下,可以看,没有发生死锁。

thread B waiting get ResourceA 
thread B got ResourceA 
thread A waiting get ResourceA 
thread B waiting  get ResourceB 
thread B got ResourceB 
thread A got ResourceA 
thread A waiting get ResourceB 
thread A got ResourceB
exit
复制代码

总结

简单来说,死锁问题的产生是由两个或者以上线程并行执行的时候,争夺资源而互相等待造成的。

死锁只有同时满足互斥、持有并等待、不可剥夺、环路等待这四个条件的时候才会发生。

所以要避免死锁问题,就是要破坏其中一个条件即可,最常用的方法就是使用资源有序分配法来破坏环路等待条件。

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