Java多線程中的死結問題[轉]

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//申明：本文轉載自http://www.cnblogs.com/digdeep/p/4448148.html 《Java多線程中的死結問題》

Java程式基本都要涉及到多線程，而在多線程環境中不可避免的要遇到線程死結的問題。Java不像資料庫那麼能夠檢測到死結，然後進行處理，Java中的死結問題，只能通過程式員自己寫代碼時避免引入死結的可能性來解決。

1. Java中導致死結的原因

Java中死結最簡單的情況是，一個線程T1持有鎖L1並且申請獲得鎖L2，而另一個線程T2持有鎖L2並且申請獲得鎖L1，因為預設的鎖申請操作都是阻塞的，所以線程T1和T2永遠被阻塞了。導致了死結。這是最容易理解也是最簡單的死結的形式。但是實際環境中的死結往往比這個複雜的多。可能會有多個線程形成了一個死結的環路，比如：線程T1持有鎖L1並且申請獲得鎖L2，而線程T2持有鎖L2並且申請獲得鎖L3，而線程T3持有鎖L3並且申請獲得鎖L1，這樣導致了一個鎖依賴的環路：T1依賴T2的鎖L2，T2依賴T3的鎖L3，而T3依賴T1的鎖L1。從而導致了死結。

從這兩個例子，我們可以得出結論，產生死結可能性的最根本原因是：線程在獲得一個鎖L1的情況下再去申請另外一個鎖L2，也就是鎖L1想要包含了鎖L2，也就是說在獲得了鎖L1，並且沒有釋放鎖L1的情況下，又去申請獲得鎖L2，這個是產生死結的最根本原因。另一個原因是預設的鎖申請操作是阻塞的。

2. Java中如何避免死結

既然我們知道了產生死結可能性的原因，那麼就可以在編碼時進行規避。Java是物件導向的程式設計語言，程式的最小單元是對象，對象封裝了資料和操作，所以Java中的鎖一般也是以對象為單位的，對象的內建鎖保護對象中的資料的並發訪問。所以如果我們能夠避免在對象的同步方法中調用其它對象的同步方法，那麼就可以避免死結產生的可能性。如下所示的代碼，就存在死結的可能性：

public class ClassB {    private String address;    // ...        public synchronized void method1(){        // do something    }    // ... ...}

public class ClassA {    private int id;    private String name;    private ClassB b;    // ...        public synchronized void m1(){        // do something        b.method1();    }    // ... ...}

上面的ClassA.m1()方法，在對象的同步方法中又調用了ClassB的同步方法method1()，所以存在死結發生的可能性。我們可以修改如下，避免死結：

public class ClassA {    private int id;    private String name;    private ClassB b;    // ...        public void m2(){        synchronized(this){            // do something        }        b.method1();    }    // ... ...}

這樣的話減小了鎖定的範圍，兩個鎖的申請就沒有發生交叉，避免了死結的可能性，這是最理性的情況，因為鎖沒有發生交叉。但是有時是不允許我們這樣做的。此時，如果只有ClassA中只有一個m1這樣的方法，需要同時獲得兩個對象上的鎖，並且不會將執行個體屬性 b 溢出(return b;)，而是將執行個體屬性 b 封閉在對象中，那麼也不會發生死結。因為無法形成死結的閉環。但是如果ClassA中有多個方法需要同時獲得兩個對象上的鎖，那麼這些方法就必須以相同的順序獲得鎖。

比如銀行轉賬的情境下，我們必須同時獲得兩個賬戶上的鎖，才能進行操作，兩個鎖的申請必鬚髮生交叉。這時我們也可以打破死結的那個閉環，在涉及到要同時申請兩個鎖的方法中，總是以相同的順序來申請鎖，比如總是先申請 id 大的賬戶上的鎖 ，然後再申請 id 小的賬戶上的鎖，這樣就無法形成導致死結的那個閉環。

public class Account {    private int id;    // 主鍵    private String name;    private double balance;        public void transfer(Account from, Account to, double money){        if(from.getId() > to.getId()){            synchronized(from){                synchronized(to){                    // transfer                }            }        }else{            synchronized(to){                synchronized(from){                    // transfer                }            }        }    }    public int getId() {        return id;    }}

這樣的話，即使發生了兩個賬戶比如 id=1的和id=100的兩個賬戶相互轉賬，因為不管是哪個線程先獲得了id=100上的鎖，另外一個線程都不會去獲得id=1上的鎖(因為他沒有獲得id=100上的鎖)，只能是哪個線程先獲得id=100上的鎖，哪個線程就先進行轉賬。這裡除了使用id之外，如果沒有類似id這樣的屬性可以比較，那麼也可以使用對象的hashCode()的值來進行比較。

上面我們說到，死結的另一個原因是預設的鎖申請操作是阻塞的，所以如果我們不使用預設阻塞的鎖，也是可以避免死結的。我們可以使用ReentrantLock.tryLock()方法，在一個迴圈中，如果tryLock()返回失敗，那麼就釋放以及獲得的鎖，並睡眠一小段時間。這樣就打破了死結的閉環。

比如：線程T1持有鎖L1並且申請獲得鎖L2，而線程T2持有鎖L2並且申請獲得鎖L3，而線程T3持有鎖L3並且申請獲得鎖L1

此時如果T3申請鎖L1失敗，那麼T3釋放鎖L3，並進行睡眠，那麼T2就可以獲得L3了，然後T2執行完之後釋放L2, L3，所以T1也可以獲得L2了執行完然後釋放鎖L1, L2，然後T3睡眠醒來，也可以獲得L1, L3了。打破了死結的閉環。

這些情況，都還是比較好處理的，因為它們都是相關的，我們很容易意識到這裡有發生死結的可能性，從而可以加以防備。很多情況的情境都不會很明顯的讓我們察覺到會存在發生死結的可能性。所以我們還是要注意：

一旦我們在一個同步方法中，或者說在一個鎖的保護的範圍中，調用了其它對象的方法時，就要十而分的小心：

1）如果其它對象的這個方法會消耗比較長的時間，那麼就會導致鎖被我們持有了很長的時間；

2）如果其它對象的這個方法是一個同步方法，那麼就要注意避免發生死結的可能性了；

最好是能夠避免在一個同步方法中調用其它對象的延時方法和同步方法。如果不能避免，就要採取上面說到的編碼技巧，打破死結的閉環，防止死結的發生。同時我們還可以盡量使用“不可變對象”來避免鎖的使用，在某些情況下還可以避免對象的共用，比如 new 一個新的對象代替共用的對象，因為鎖一般是對象上的，對象不相同了，也就可以避免死結，另外盡量避免使用靜態同步方法，因為靜態同步相當於全域鎖。還有一些封閉技術可以使用：比如堆棧封閉，線程封閉，ThreadLocal，這些技術可以減少對象的共用，也就減少了死結的可能性。

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