java并发编程实战《五》死锁

一不小心就死锁了，怎么办？

　　在上一篇文章中，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，性能太差。

向现实世界要答案

　　

　　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：

• 　　　　文件架上恰好有转出账本和转入账本，那就同时拿走；
• 　　　　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；
• 　　　　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。

　　　　此处王老师应该只是想给我们构建一个场景，特地查了下，参考此处  简单说下，我国古代奴隶社会时，一个人管一种账号，“司书掌管会计账簿，职内掌管财务收入账户，职岁掌管财务支出类账户，职币掌管财务结余”，称““单式记账法””，后又有“入出记账法”。

　　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。

 

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;
        }
      }
    }
  } 
}

　　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。

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？　　

　　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。

 　  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。如下图

　　

 

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。

　　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：

　　　　　　互斥，共享资源 X 和 Y 只能被一个线程占用；

　　　　　　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；

　　　　　　不可抢占，其他线程不能强行抢占线程 T1 占有的资源；

　　　　　　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。

 

　　只要我们破坏其中一个，就可以成功避免死锁的发生。

　　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。

• 　　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。

• 　　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。

• 　　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。

那具体如何体现在代码上呢？

　　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。这样就保证了“一次性申请所有资源”。(解决不了的问题就再加一个中间层？)

　　　　

　　　　　　“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 //这个单例怎么实现？
  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)) // 原理类似CAS，也是自旋，实际项目中需要加入超时时间，避免一直阻塞
      ；
    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)
    }
  } 
}

　　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。

　　　　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。

　　　　简单说一下synchronized的原理？

　　

　　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。

　　　　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（大到小也行，重点是排序）。

　　　　

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。

　　识别出风险很重要。

识别出风险很重要。

　　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。

课后思考

　　我们上面提到：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));这个方法，那它比 synchronized(Account.class) 有没有性能优势呢？

　　引自极客用户：

　　　　虽然上面两种锁的方式都是串行化了，但是具体还是有一点区别的：synchronized(Account.class)的方式相当于A->B 转账，C->D转账 先后执行，而 actr.apply(this, target)的方式则是apply-->转账-->free这样的串行方式执行，但是在转账中是可以A->B，C->D转账线程并行执行的，正如文中提到的apply方法耗时很少 所以比如一次转账耗时200ms,apply+release方式执行要20ms,所以用synchronized的方式A->B,C->D则需要耗时400ms,而appy的方式则要200+20*2=240ms,并且同时转账的人越多 apply方式的转账并行度越高 比synchronized的方式的优势越明显。

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。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。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。

只要我们破坏其中一个，就可以成功避免死锁的发生。

能太差。

性能太差。