05 | 一不小心就死锁了，怎么办？
在Java并发编程的广阔领域中，死锁是一个让开发者头疼不已的问题。它如同一道无形的枷锁，悄无声息地限制了程序的运行，导致程序挂起甚至崩溃。本章将深入探讨死锁的本质、成因、识别方法以及一系列预防与解决策略，帮助读者在Java并发编程的实战中避开这一陷阱。
一、死锁的本质与危害
死锁的本质：死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法向前推进。在Java中，这通常发生在多个线程尝试以不同的顺序获取多个锁时。
死锁的危害：
- 程序挂起：死锁导致涉及的线程无限期地等待对方释放锁，从而使得整个程序或部分功能无法继续执行。
- 资源浪费：死锁发生时，涉及的资源（如CPU时间、内存等）被无意义地占用，无法被有效利用。
- 程序复杂度增加：为了检测和解决死锁，需要增加额外的逻辑，使得程序的复杂度和维护成本上升。
二、死锁的成因分析
死锁的形成通常需要满足以下四个必要条件，这四个条件也被称为“死锁的四个必要条件”：
- 互斥条件：资源是互斥的，即任何时刻只有一个线程能使用。
- 请求与保持条件：一个线程至少持有一个资源，并等待获取另一个当前被其他线程持有的资源。
- 不可剥夺条件：资源只能由持有它的线程主动释放，不能被其他线程强制剥夺。
- 循环等待条件：系统中存在至少一个循环，其中每个线程都在等待下一个线程持有的资源。
在Java并发编程中，常见的导致死锁的场景包括：
- 多个线程以不同的顺序尝试获取多个锁。
- 锁粒度设计不合理，如过细或过粗的锁划分。
- 错误地使用同步工具，如
wait()、notify()/notifyAll()、ReentrantLock等，没有遵循正确的使用模式。
三、识别死锁的方法
- 日志分析：通过查看应用程序的日志，特别是线程锁获取和释放的日志，可以初步判断是否存在死锁风险或已经发生死锁。
- JConsole/VisualVM等监控工具：这些Java性能监控工具可以帮助开发者查看线程状态，包括哪些线程处于等待状态，以及它们正在等待什么锁。
- 线程转储（Thread Dump）：通过
jstack等工具获取Java进程的线程转储信息，可以详细看到每个线程的状态、持有的锁以及等待的锁，是诊断死锁问题的强有力工具。 - 静态代码分析：使用IDE或专门的并发分析工具，通过静态分析代码中的锁使用模式，预测可能的死锁情况。
四、预防死锁的策略
- 避免嵌套锁：尽量减少在同一方法或代码块中多次获取锁的情况，特别是避免嵌套锁。如果必须嵌套，确保锁的获取顺序在所有地方都是一致的。
- 使用锁超时机制：在尝试获取锁时设置超时时间，如果超时未获取到锁，则释放已持有的锁并尝试其他策略，避免永久等待。
- 锁顺序一致性：在应用中全局定义锁的获取顺序，所有线程都遵循这一顺序来避免循环等待。
- 减少锁的粒度：通过细化锁的范围，减少线程间对共享资源的竞争，从而降低死锁的风险。
- 使用可重入锁（ReentrantLock）的公平锁：虽然公平锁可能会降低性能，但它能保证锁的获取顺序，从而减少死锁的可能性。
- 避免在锁保护区内调用外部资源或不确定的代码：这样做可以避免因外部因素（如网络延迟、数据库查询等）导致的长时间持有锁，进而引发死锁。
五、解决死锁的策略
一旦确认程序中存在死锁，就需要采取措施来解决。解决死锁的策略通常包括：
- 中断死锁线程：如果可能，通过中断或停止死锁的线程来打破死锁状态。但这种方法需要谨慎使用，因为它可能导致数据不一致或程序逻辑错误。
- 回滚事务：如果死锁发生在事务处理过程中，可以考虑回滚部分或全部事务，然后重新执行。
- 重新设计同步策略：深入分析死锁的原因，重新设计锁的使用策略，如调整锁的顺序、改变锁的粒度或引入新的同步机制。
- 使用死锁检测工具：在开发阶段或生产环境中引入死锁检测工具，实时监控并预警潜在的死锁情况，以便及时采取措施。
- 资源隔离：通过资源隔离的方式，将可能引发死锁的资源或操作分离到不同的系统或进程中，从而减少死锁的风险。
六、实战案例分析
假设我们有一个简单的银行转账系统，其中两个账户需要同时进行转账操作，且每个操作都需要锁定两个账户以确保转账的一致性。如果两个转账操作以相反的顺序锁定账户，就可能导致死锁。
解决方案：
- 统一锁顺序：确保所有转账操作都按照相同的顺序（如从账户A到账户B）来锁定账户。
- 使用显式锁（ReentrantLock）：通过显式锁可以更容易地控制锁的获取和释放，以及设置锁的超时时间。
- 引入超时机制：在尝试获取锁时设置超时时间，一旦超时则释放已持有的锁并重新尝试或回滚操作。
七、总结
死锁是Java并发编程中必须面对和解决的问题。通过深入理解死锁的本质、成因、识别方法及预防与解决策略，我们可以在实际开发中有效地避免死锁的发生，提高程序的稳定性和可靠性。记住，预防总是优于治疗，合理的同步设计和锁策略是避免死锁的关键。同时，当死锁发生时，冷静分析、迅速定位并采取合适的解决策略，也是每一个并发编程者必备的能力。
