死锁的避免与诊断？- 题目详情

死锁的概念

死锁是指两个或多个线程在执行过程中，因争夺资源而造成一种互相等待的现象，导致线程无法继续执行。换句话说，线程在等待其他线程释放资源时，自己又占用着其他线程需要的资源，从而形成了一个循环等待的局面。

死锁的四个必要条件（死锁发生的必要条件）：

互斥条件：一个资源每次只能被一个线程占用。
请求与保持条件：一个线程因请求资源而阻塞时，保持已经获得的资源。
不剥夺条件：线程已经获得的资源，不能强行剥夺。
循环等待条件：若干线程之间形成一种头尾相接的循环等待关系。

死锁的避免与预防

避免死锁的基本原则是要打破上述四个条件中的至少一个条件。以下是一些常见的避免死锁的策略：

1. 资源分配策略（避免循环等待）

避免循环等待是死锁的根本解决方案。可以通过规定线程获取资源的顺序来避免循环等待。例如，可以规定所有线程按照资源的升序（或降序）顺序申请资源，这样就可以避免形成循环等待关系。
示例：假设有两个资源 R1 和 R2，线程 T1 先申请 R1，再申请 R2，而线程 T2 先申请 R2，再申请 R1。如果我们规定所有线程都必须按照资源的升序（如先申请 R1，再申请 R2）进行资源申请，那么就不会出现 T1 和 T2 互相等待的情况。

2. 锁的获取顺序

为了避免死锁，可以确保多个线程按同样的顺序请求多个锁。这种方法通过避免不同线程以不同顺序请求锁，减少了形成死锁的可能性。

3. 锁超时机制

如果一个线程尝试获取一个锁，但在指定时间内无法获取该锁，线程可以选择放弃并尝试重新尝试获取锁或进行错误处理。这种方法可以有效地避免线程无限期地等待，从而避免死锁。
示例：可以使用 ReentrantLock 的 tryLock(long time, TimeUnit unit) 方法来尝试获取锁，如果在超时时间内无法获取锁，线程会放弃并处理其他任务，而不会阻塞。

4. 避免持有锁时执行耗时操作

在线程持有锁时避免执行耗时操作（如 I/O 操作、网络请求等），因为这可能会增加发生死锁的风险。如果锁长时间持有，其他线程无法获取所需的资源，容易引发死锁。
通过设计避免长时间持有锁，可以减少死锁的风险。

5. 分段锁（Lock Striping）

将一个大锁拆分成多个小锁，并且根据某些条件来决定每个线程需要获取哪些小锁。这样可以减少锁竞争，提高并发性能，进而减少死锁的概率。

死锁的诊断

如果应用程序发生了死锁，线程将无法继续执行，并且程序的某些部分可能无法响应。诊断死锁通常需要分析线程的状态、锁的使用情况以及线程之间的依赖关系。以下是一些死锁诊断的方法：

1. 使用 `jstack` 或线程转储

jstack：这是一个 Java 工具，它能够打印出 JVM 中所有线程的堆栈信息。在死锁发生时，jstack 可以帮助你查看线程的堆栈信息，从而诊断出线程在等待哪些资源。
命令：
```
1jstack <pid>  # pid 是目标进程的进程 ID
```
输出中的 BLOCKED 状态表示线程被阻塞在某个锁上，而 WAITING 或 TIMED_WAITING 状态则可能表示线程正在等待其他线程释放资源。

2. 使用 Java 自带的 `Thread.getAllStackTraces()`

通过调用 Thread.getAllStackTraces() 方法，可以获取所有线程的堆栈信息。这些堆栈信息可以帮助开发者判断哪些线程在等待资源，哪些线程在持有锁，进而发现死锁。

示例代码：

1Map<Thread, StackTraceElement[]> threadMap = Thread.getAllStackTraces();
2for (Map.Entry<Thread, StackTraceElement[]> entry : threadMap.entrySet()) {
3    Thread thread = entry.getKey();
4    StackTraceElement[] stackTrace = entry.getValue();
5    System.out.println("Thread: " + thread.getName());
6    for (StackTraceElement ste : stackTrace) {
7        System.out.println(ste);
8    }
9}

3. 使用 JConsole 或 VisualVM

JConsole 和 VisualVM 都是 Java 自带的监控工具，可以用来实时监控线程状态。通过这些工具，可以查看 JVM 中的线程状态、锁的使用情况以及潜在的死锁情况。
在 VisualVM 中，可以查看到每个线程的状态和堆栈信息，如果存在死锁，工具会提示死锁信息，并且可以帮助识别哪些线程之间形成了循环等待。

4. 使用日志和监控

可以在应用程序中加入日志，特别是与锁相关的操作（如 lock() 和 unlock()）。通过日志可以追踪每个线程获取和释放锁的情况，从而帮助定位死锁发生的地方。
监控工具：比如 Prometheus 和 Grafana 可以定期收集线程池的状态，监测线程阻塞和长时间等待的情况，从而提前发现死锁问题。

5. 使用静态分析工具

静态分析工具（如 FindBugs、PMD、SonarQube 等）可以在代码审查时检测出潜在的死锁风险。这些工具可以通过分析代码中的锁顺序、资源获取等信息，识别死锁的潜在漏洞。

死锁检测的简单示例（使用 `jstack`）

假设线程 T1 和 T2 发生了死锁。使用 jstack 可以查看线程堆栈，假如输出如下：

Found one Java-level deadlock:
==========================
"Thread-1":
  waiting to lock monitor 0x00000000f8e72e20 (object 0x000000001fe22d70, a java.lang.Object),
  which is held by "Thread-2"

"Thread-2":
  waiting to lock monitor 0x00000000f8e72e20 (object 0x000000001fe22d70, a java.lang.Object),
  which is held by "Thread-1"

上述输出清楚地显示了线程 Thread-1 和 Thread-2 正在相互等待对方释放锁，从而形成了死锁。

问答题【792/1053】死锁的避免与诊断？