如何打破死锁的四个条件：从代码到理论的全方位解析

齐朋
255 阅读5分钟

死锁的四个条件及其解决方法

死锁是多线程程序中常见的一个问题，它导致程序的线程无法继续执行，系统的效率大幅下降，甚至完全停止。死锁发生的根本原因通常是因为线程在互相等待对方释放资源，从而形成了一个不可打破的闭环。在深入理解死锁的成因和解决方法之前，我们需要了解它的四个必要条件：

1. 互斥条件（Mutual Exclusion）

互斥条件是死锁发生的前提之一。它意味着每个资源只能由一个线程在同一时刻占用。如果一个资源是独占锁（Exclusive Lock），而不是共享锁（Shared Lock），那么在该资源被某个线程占用时，其他线程就无法访问该资源。这种情况下，如果多个线程竞争同一资源，可能会导致死锁。

例如，假设线程A占用了资源X，线程B占用了资源Y。如果线程A还需要资源Y，而线程B需要资源X，这时就会发生死锁。解决方法是尽量使用共享锁，避免过多的独占锁。

// 互斥条件示例
class MutexExample {
    private final Object lock1 = new Object();
    private final Object lock2 = new Object();

    public void method1() {
        synchronized (lock1) {
            System.out.println("Thread 1 holding lock 1");
            synchronized (lock2) {
                System.out.println("Thread 1 holding lock 2");
            }
        }
    }

    public void method2() {
        synchronized (lock2) {
            System.out.println("Thread 2 holding lock 2");
            synchronized (lock1) {
                System.out.println("Thread 2 holding lock 1");
            }
        }
    }
}

2. 请求保持条件（Hold and Wait）

请求保持条件是指一个线程已经持有某个资源的锁，在此基础上再请求另一个线程的资源锁。如果当前线程没有释放已有资源，但却试图获取其他资源，就会进入“请求保持”状态，造成死锁的潜在风险。

例如，在上面的示例中，线程A持有锁X并请求锁Y，而线程B持有锁Y并请求锁X，这样的行为就会导致线程相互等待对方释放锁。

解决方法之一是避免线程在获取锁时保持自己已拥有的锁。可以使用 tryLock() 方法尝试获取锁，而不是一直等待。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

class RequestHoldExample {
    private final Lock lock1 = new ReentrantLock();
    private final Lock lock2 = new ReentrantLock();

    public void method1() {
        if (lock1.tryLock()) {
            try {
                System.out.println("Thread 1 acquired lock 1");
                if (lock2.tryLock()) {
                    try {
                        System.out.println("Thread 1 acquired lock 2");
                    } finally {
                        lock2.unlock();
                    }
                }
            } finally {
                lock1.unlock();
            }
        }
    }

    public void method2() {
        if (lock2.tryLock()) {
            try {
                System.out.println("Thread 2 acquired lock 2");
                if (lock1.tryLock()) {
                    try {
                        System.out.println("Thread 2 acquired lock 1");
                    } finally {
                        lock1.unlock();
                    }
                }
            } finally {
                lock2.unlock();
            }
        }
    }
}

3. 不可剥夺条件（No Preemption）

不可剥夺条件指的是一个线程已经持有某个资源的锁，且该资源不能被强制剥夺。只有当线程自己释放资源时，其他线程才能访问该资源。如果系统允许强制剥夺资源（即强制中断线程的执行），死锁就不容易发生。

解决这一条件的方法是，设计一种机制允许系统在需要时中断或抢占资源，避免死锁的发生。例如，可以设定超时机制，如果一个线程在请求锁时超过一定时间未获得锁，就放弃当前锁并稍后重试，类似于 tryLock() 方法。

4. 环路等待条件（Circular Wait）

环路等待条件是死锁发生的关键。它指的是多个线程在相互等待对方持有的资源，形成一个闭环。例如，线程A等待线程B的资源，线程B等待线程C的资源，线程C又等待线程A的资源，这样形成了一个环路，死锁就发生了。

避免环路等待的有效方法是通过统一的获取锁的顺序来避免循环等待。例如，所有线程都按照相同的顺序请求锁，保证线程间不会发生交叉等待。

class CircularWaitExample {
    private final Lock lock1 = new ReentrantLock();
    private final Lock lock2 = new ReentrantLock();

    // 统一顺序获取锁，避免环路等待
    public void method1() {
        synchronized (lock1) {
            System.out.println("Thread 1 holding lock 1");
            synchronized (lock2) {
                System.out.println("Thread 1 holding lock 2");
            }
        }
    }

    public void method2() {
        synchronized (lock1) {
            System.out.println("Thread 2 holding lock 1");
            synchronized (lock2) {
                System.out.println("Thread 2 holding lock 2");
            }
        }
    }
}

死锁的解决方法

通过对死锁的四个条件的深入理解，我们可以采取一些方法来避免死锁的发生：

  1. 打破环路等待条件：统一资源获取顺序。所有线程在请求多个锁时，必须按照固定的顺序来请求资源，避免线程间相互等待，形成环路。例如，所有线程都先请求锁A，再请求锁B。

  2. 打破请求保持条件：避免线程在持有一个锁的同时再请求其他锁。使用 tryLock() 方法可以尝试获取锁，如果无法获取锁，则主动放弃，从而避免死锁的发生。

  3. 避免不可剥夺条件：系统可以设置一些规则，使得线程持有的锁可以被剥夺，或者在无法获得所有锁时，主动放弃已获得的锁，重试获取。

  4. 避免互斥条件：尽量使用共享锁而非独占锁，减少对资源的独占性竞争，降低死锁的风险。

结论

死锁是一个难以避免的问题，但通过合理的设计和编程规范，我们可以在大多数情况下避免它的发生。了解死锁的四个条件，并采取合适的策略来规避这些条件，是开发高效、可靠系统的关键。通过这些方法，可以有效地减少死锁对程序性能和稳定性的影响，确保多线程程序的顺利运行。

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