Java多线程编程学习——03线程死锁

什么是死锁？

多个线程抢占同一资源，并请求锁定对方资源，造成恶性循环且无外力情况下无法执行下去的情况叫做死锁。

死锁产生的四个必要条件

互斥条件

线程（进程）要求对所分配的资源具有排他性，即在一段时间内某个资源被当前线程（进程）所占有，其他线程（进程）若想请求获得该资源只能等待。

不可剥夺条件

线程（进程）请求锁定某个资源未释放之前，其他线程（进程）不可抢占和剥夺该线程所持有的资源，必须等待该线程（进程）执行完成释放该资源后才可获得。

请求与保持条件

已拥有资源的线程（进程）二次请求新的资源，而该资源已被其他线程（进程）所占有，此时请求阻塞并对其原持有的资源保持不放。

循环与等待条件

存在一种请求资源得循环等待链，链中每一个线程（进程）已获得资源的同时并请求新的资源，形成闭路循环等待，造成阻塞。

死锁处理

• 预防死锁：通过设置某些限制条件，去破坏产生死锁的四个必要条件中的一个或几个条件，来防止死锁的发生。
• 避免死锁：在资源的动态分配过程中，用某种方法去防止系统进入不安全状态，从而避免死锁的发生。
• 检测死锁：允许系统在运行过程中发生死锁，但可设置检测机构及时检测死锁的发生，并采取适当措施加以清除。
• 解除死锁：当检测出死锁后，便采取适当措施将进程从死锁状态中解脱出来。

死锁预防

预防死锁是设法至少破坏产生死锁的四个必要条件之一，严格的防治死锁的出现。

破坏“互斥”条件

"互斥”条件是无法破坏的，资源的互斥本身就是对死锁的一种预防。

破坏“请求与保持”条件

一次性分配所需资源

破坏“不可剥夺”条件

如果已占有资源的线程（进程）进一步请求新的资源失败，则该线程（进程）必须释放它已持有的资源。

破坏“循环与等待”条件

按序申请资源来预防。按某一顺序申请资源，释放资源则反序释放。破坏循环等待条件。

死锁避免

有序资源分配法

1. 必须为所有资源统一编号
2. 同类资源必须一次申请完
3. 不同类资源必须按顺序申请

例如：有两个进程P1和P2，有两个资源R1和R2
P1请求资源：R1、R2
P2请求资源：R1、R2
这样就破坏了环路条件，避免了死锁的发生。

银行家算法

银行家算法（Banker’s Algorithm）是一个避免死锁（Deadlock）的著名算法，是由艾兹格·迪杰斯特拉在1965年为T.H.E系统设计的一种避免死锁产生的算法。它以银行借贷系统的分配策略为基础，判断并保证系统的安全运行。流程图如下：

银行家算法的基本思想是分配资源之前，判断系统是否是安全的；若为是，才分配。它是最具有代表性的避免死锁的算法。
设进程i提出请求REQUEST [i]，则银行家算法按如下规则进行判断。

1. 如果REQUEST [i]<= NEED[i，j]，则转（2)；否则，出错。
2. 如果REQUEST [i]<=
   AVAILABLE[i]，则转（3)；否则，等待。
3. 系统试探分配资源，修改相关数据：
   AVAILABLE[i]-=REQUEST[i];//可用资源数-请求资源数
   ALLOCATION[i]+=REQUEST[i];//已分配资源数+请求资源数
   NEED[i]-=REQUEST[i];//需要资源数-请求资源数
4. 系统执行安全性检查，如安全，则分配成立；否则试探险性分配作废，系统恢复原状，进程等待。

顺序加锁

当多个线程（进程）需要相同的一些锁，但是按照不同的顺序加锁，死锁就很容易发生。如果能确保所有的线程（进程）都是按照相同的顺序获得锁，那么死锁就不会发生。

按照顺序加锁是一种有效的死锁预防机制。但是，这种方式需要事先知道所有可能会用到的锁，但总有些时候是无法预知的，所以该种方式只适合特定场景。

限时加锁

限时加锁是线程（进程）在尝试获取锁的时候加一个限制时间，若超过这个时间则放弃对该锁请求，并回退释放所有已经获得的锁，然后等待一段随机的时间再重试

缺点

1. 当线程（进程）数量少时，该种方式可避免死锁，但当线程（进程）数量过多，这些线程（进程）的加锁时限相同的概率就高很多，可能会导致超时后等待死循环。
2. Java中不能对synchronized同步块设置超时时间。需要创建一个自定义锁，或使用Java5中java.util.concurrent包下的工具。

死锁检测

预防和避免死锁系统开销大且不能充分利用资源，更好的方法是不采取任何限制性措施，而是提供检测和解脱死锁的手段，这就是死锁检测和恢复。
死锁检测数据结构：

• E是现有资源向量（existing resource vector），代码每种已存在资源的总数
• A是可用资源向量（available resource vector），那么Ai表示当前可供使用的资源数（即没有被分配的资源）
• C是当前分配矩阵（current allocation matrix），C的第i行代表Pi当前所持有的每一种类型资源的资源数
• R是请求矩阵（request matrix），R的每一行代表P所需要的资源的数量

死锁检测步骤

1. 寻找一个没有结束标记的进程Pi，对于它而言R矩阵的第i行向量小于或等于A。
2. 如果找到了这样一个线程（进程），执行该线程（进程），然后将C矩阵的第i行向量加到A中，标记该线程（进程），并转到第1步
3. 如果没有这样的线程（进程），那么算法终止
4. 算法结束时，所有没有标记过的进程都是死锁线程（进程）。

死锁恢复

利用抢占恢复。

临时将某个资源从它的当前所属进程转移到另一个线程（进程）。 这种做法很可能需要人工干预，主要做法是否可行需取决于资源本身的特性。

利用回滚恢复

周期性的将线程（进程）的状态进行备份，当发现线程（进程）死锁后，根据备份将该线程（进程）复位到一个更早的，还没有取得所需的资源的状态，接着就把这些资源分配给其他死锁线程（进程）。

通过杀死线程（进程）恢复

最直接简单的方式就是杀死一个或若干个线程（进程）。
尽可能保证杀死的线程（进程）可以从头再来而不带来副作用。