死锁

死锁的定义

   两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺共享资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。

死锁产生的原因

1）系统资源的竞争
   通常系统中拥有的不可剥夺资源，其数量不足以满足多个进程运行的需要，使得进程在运行过程中，会因争夺资源而陷入僵局，如磁带机、打印机等。只有对不可剥夺资源的竞争 才可能产生死锁，对可剥夺资源的竞争是不会引起死锁的。

2）进程推进顺序非法
   进程在运行过程中，请求和释放资源的顺序不当，也同样会导致死锁。例如，并发进程 P1、P2分别保持了资源R1、R2，而进程P1申请资源R2，进程P2申请资源R1时，两者都会因为所需资源被占用而阻塞。
   信号量使用不当也会造成死锁。进程间彼此相互等待对方发来的消息，结果也会使得这些进程间无法继续向前推进。例如，进程A等待进程B发的消息，进程B又在等待进程A 发的消息，可以看出进程A和B不是因为竞争同一资源，而是在等待对方的资源导致死锁。

除了以上两种情况，还存在线程自己将自己锁住。如果一个线程先后两次调用lock且不是可重入锁，在第二次调用的时候由于锁已经被占用，那么线程就会被挂起等待线程会挂起等待占用锁的线程释放锁。然而锁正是被自己占用着的，该线程又被挂起而没有机会释放锁，因此就永远处于挂起等待状态了，于是就形成了死锁。

死锁产生的必要条件

1. 互斥条件：在一段时间内某资源仅为一个进程所占有。此时若有其他进程请求该资源，则请求进程只能等待
2. 不剥夺条件：进程所获得的资源在未使用完毕之前，不能被其他进程强行夺走
3. 请求和保持条件：进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但对自己已获得的资源保持不放
4. 循环等待条件：存在一种进程资源的循环等待链，链中每一个进程已获得的资源同时被链中下一个进程所请求

产生死锁的一个例子

/** 
* 一个简单的死锁类 
* 当DeadLock类的对象flag==1时（td1），先锁定o1,睡眠500毫秒 
* 而td1在睡眠的时候另一个flag==0的对象（td2）线程启动，先锁定o2,睡眠500毫秒 
* td1睡眠结束后需要锁定o2才能继续执行，而此时o2已被td2锁定； 
* td2睡眠结束后需要锁定o1才能继续执行，而此时o1已被td1锁定； 
* td1、td2相互等待，都需要得到对方锁定的资源才能继续执行，从而死锁。 
*/  
public class DeadLock implements Runnable {  
    public int flag = 1;  
    //静态对象是类的所有对象共享的  
    private static Object o1 = new Object(), o2 = new Object();  
    @Override  
    public void run() {  
        System.out.println("flag=" + flag);  
        if (flag == 1) {  
            synchronized (o1) {  
                try {  
                    Thread.sleep(500);  
                } catch (Exception e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
                synchronized (o2) {  
                    System.out.println("1");  
                }  
            }  
        }  
        if (flag == 0) {  
            synchronized (o2) {  
                try {  
                    Thread.sleep(500);  
                } catch (Exception e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
                synchronized (o1) {  
                    System.out.println("0");  
                }  
            }  
        }  
    }  
    public static void main(String[] args) {     
        DeadLock td1 = new DeadLock();  
        DeadLock td2 = new DeadLock();  
        td1.flag = 1;  
        td2.flag = 0;  
        //td1,td2都处于可执行状态，但JVM线程调度先执行哪个线程是不确定的。  
        //td2的run()可能在td1的run()之前运行  
        new Thread(td1).start();  
        new Thread(td2).start();  
    }  
}  

死锁的避免及其解决方案

• 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

预防死锁

1. 破坏“互斥”条件
     在系统里取消互斥。若资源不被一个进程独占使用，那么死锁是肯定不会发生的。但一般来说在所列的四个条件中，“互斥”条件是不能被破坏，否则会造成结果的不可再现性。因此，在死锁预防里主要是破坏其他几个必要条件，而不去涉及破坏“互斥”条件。
2. 破坏“占有并等待”条件
     破坏“占有并等待”条件，就是在系统中不允许进程在已获得某种资源的情况下，申请其他资源。即要想出一个办法，阻止进程在持有资源的同时申请其他资源。
   方法一：创建进程时，要求它申请所需的全部资源
   方法二：要求每个进程提出新的资源申请前，释放它所占有的资源。这样，一个进程在需要资源S时，须先把它先前占有的资源R释放掉，然后才能提出对S的申请，即使它可能很快又要用到资源R
3. 破坏“不可抢占”条件
     破坏“不可抢占”条件就是允许对资源实行抢夺。
   方法一：如果占有某些资源的一个进程进行进一步资源请求被拒绝，则该进程必须释放它最初占有的资源，如果有必要，可再次请求这些资源和另外的资源
   方法二：如果一个进程请求当前被另一个进程占有的一个资源，则操作系统可以抢占另一个进程，要求它释放资源。只有在任意两个进程的优先级都不相同的条件下，方法二才能预防死锁
4. 破坏“循环等待”条件
     破坏“循环等待”条件的一种方法，是将系统中的所有资源统一编号，进程可在任何时刻提出资源申请，但所有申请必须按照资源的编号顺序（升序）提出。这样做就能保证系统不出现死锁。

避免死锁
  预防死锁和避免死锁的区别：预防死锁是设法至少破坏产生死锁的四个必要条件之一，严格的防止死锁的出现，而避免死锁则不那么严格的限制产生死锁的必要条件的存在，因为即使死锁的必要条件存在，也不一定发生死锁。避免死锁是在系统运行过程中注意避免死锁的最终发生。常用避免死锁的方法：

有序资源分配法
这种算法资源按某种规则系统中的所有资源统一编号（例如打印机为1、磁带机为2、磁盘为3、等等），申请时必须以上升的次序。系统要求申请进程：
　　1、对它所必须使用的而且属于同一类的所有资源，必须一次申请完；
　　2、在申请不同类资源时，必须按各类设备的编号依次申请。例如：进程PA，使用资源的顺序是R1，R2； 进程PB，使用资源的顺序是R2，R1；若采用动态分配有可能形成环路条件，造成死锁。
　　采用有序资源分配法：R1的编号为1，R2的编号为2；
　　PA：申请次序应是：R1，R2
　　PB：申请次序应是：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
  银行家算法基本思想： 允许进程动态地申请资源，系统在每次实施资源分配之前，先计算资源分配的安全性，若此次资源分配安全（即资源分配后，系统能按某种顺序来为每个进程分配其所需的资源，使每个进程都可以顺利地完成），便将资源分配给进程，否则不分配资源，让进程等待。

银行家算法中的数据结构
  为了实现银行家算法，在系统中必须设置这样四个数据结构，分别用来描述系统中可利用的资源、所有进程对资源的最大需求、系统中的资源分配，以及所有进程还需要多少资源的情况。
　　(1) 可利用资源向量 Available，一个含有 m 个元素的数组，其中的每一个元素代表一类可利用的资源数目，其初始值是系统中所配置的该类全部可用资源的数目，其数值随该类资源的分配和回收而动态地改变。如果 Available[j] = K，则表示系统中现Rj类资源K个。
　　(2) 最大需求矩阵Max，一个n x m的矩阵，它定义了系统中n个进程中的每个进程对m类资源的最大需求。如果Max[i,j] = K，则表示进程i需要Rj 类资源的最大数目为K。
　　(3) 分配矩阵 Allocation，一个n x m的矩阵，它定义了系统中每一类资源当前已分配给每一进程的资源数。如果 Allocation[i,jl = K，则表示进程i当前己分得Rj类资源的数目为K。
　　(4) 需求矩阵Need，一个n×m的矩阵，用以表示每一个进程尚需的各类资源数。如果Need[i,j] = K，则表示进程i还需要Rj类资源K个方能完成其任务。
上述三个矩阵间存在下述关系:
　　　　　　　　　　　　　　Need[i,j] = Max[i,j] - allocation[i, j]
　　　　　　　　　　　　　　
银行家算法详述：
　　设 Request；是进程Pi的请求向量，如果 Requesti[j] = K，表示进程Pi需要K个Rj类型的资源。当Pi发出资源请求后，系统按下述步骤进行检査:
　　(1) 如果 Requesti[j] ≤ Need[i,j]便转向步骤(2)；否则认为出错，因为它所需要的资源数已超过它所宣布的最大值。
　　(2) 如果 Requesti[j] ≤ Available[j]，便转向步骤(3)；否则，表示尚无足够资源，Pi须等待。
　　(3) 系统试探着把资源分配给进程Pi，并修改下面数据结构中的数值
　　　　Available[j] = Available[j] - Requesti[j];
　　　　Allocation[i,j] = Allocation[i,j] + Requesti[j];
　　　　Need[i,j] = Need[i,j] - Requesti[j];
　　(4) 系统执行安全性算法，检查此次资源分配后系统是否处于安全状态。若安全，才正式将资源分配给进程Pi，以完成本次分配；否则，将本次的试探分配作废，恢复原来的资源分配状态，让进程Pi等待。
　　
安全性算法:
系统所执行的安全性算法可描述如下:
　　(1) 设置两个向量:①工作向量Work，它表示系统可提供给进程继续运行所需的各类资源数目，它含有m个元素，在执行安全算法开始时，Work = Available；② Finish:它表示系统是否有足够的资源分配给进程，使之运行完成。开始时先做 Finish[i] = false；当有足够资源分配给进程时，再令Finish[i] = true。
　　(2) 从进程集合中找到一个能满足下述条件的进程
　　　　① Finish[i] = false;
　　　　② Need[i,j] ≤ Work[j];
若找到，执行步骤(3)，否则，执行步骤(4)。
　　(3)当进程Pi获得资源后，可顺利执行，直至完成，并释放出分配给它的资源，故应执行:
　　　　Work[j] = Work[j] + Allocation[i,j];
　　　　Finish[i] = true;
　　　　go to step 2;(goto语句不推荐使用 _ )
　　(4)如果所有进程的 Finish[i] =true都满足，则表示系统处于安全状态；否则，系统处于不安全状态。

常用避免死锁的技术：

1. 加锁顺序（线程按照一定的顺序加锁）
2. 加锁时限（线程尝试获取锁的时候加上一定的时限，超过时限则放弃对该锁的请求，并释放自己占有的锁）
3. 死锁检测

加锁顺序
   当多个线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都是按照相同的顺序获得锁，那么死锁就不会发生。看下面这个例子：

Thread 1:
  lock A 
  lock B

Thread 2:
   wait for A
   lock C (when A locked)

Thread 3:
   wait for A
   wait for B
   wait for C

  如果一个线程（比如线程3）需要一些锁，那么它必须按照确定的顺序获取锁。它只有获得了从顺序上排在前面的锁之后，才能获取后面的锁。例如，线程2和线程3只有在获取了锁A之后才能尝试获取锁C。因为线程1已经拥有了锁A，所以线程2和3需要一直等到锁A被释放。然后在它们尝试对B或C加锁之前，必须成功地对A加了锁。按照顺序加锁是一种有效的死锁预防机制。但是，这种方式需要你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。

加锁时限
   在尝试获取锁的时候加一个超时时间，意味着在尝试获取锁的过程中若超过了这个时限该线程则放弃对该锁请求。若一个线程没有在给定的时限内成功获得所有需要的锁，则会进行回退并释放所有已经获得的锁，然后等待一段随机的时间再重试。这段随机的等待时间让其它线程有机会尝试获取相同的这些锁，并且让该应用在没有获得锁的时候可以继续运行。以下是一个例子，展示了两个线程以不同的顺序尝试获取相同的两个锁，在发生超时后回退并重试的场景：

Thread 1 locks A
Thread 2 locks B
Thread 1 attempts to lock B but is blocked
Thread 2 attempts to lock A but is blocked
Thread 1's lock attempt on B times out
Thread 1 backs up and releases A as well
Thread 1 waits randomly (e.g. 257 millis) before retrying.
Thread 2's lock attempt on A times out
Thread 2 backs up and releases B as well
Thread 2 waits randomly (e.g. 43 millis) before retrying.

在上面的例子中，线程2比线程1早200毫秒进行重试加锁，因此它可以先成功地获取到两个锁。这时，线程1尝试获取锁A并且处于等待状态。当线程2结束时，线程1也可以顺利的获得这两个锁。
  此外，如果有非常多的线程同一时间去竞争同一批资源，就算有超时和回退机制，还是可能会导致这些线程重复地尝试但却始终得不到锁。超时和重试机制是为了避免在同一时间出现的竞争，但是当线程很多时，其中两个或多个线程的超时时间一样或者接近的可能性就会很大，因此就算出现竞争而导致超时后，由于超时时间一样，它们又会同时开始重试，导致新一轮的竞争，带来了新的问题。这种机制下需要创建一个自定义锁或使用java.util.concurrent包下的工具。

死锁检测
   主要是针对那些不可能实现按序加锁并且锁超时也不可行的场景。每当一个线程获得了锁，会在线程和锁相关的数据结构中（map、graph等等）将其记下。除此之外，每当有线程请求锁，也需要记录在这个数据结构中。
   当一个线程请求锁失败时，这个线程可以遍历锁的关系图看看是否有死锁发生。例如，线程A请求锁7，但是锁7这个时候被线程B持有，这时线程A就可以检查一下线程B是否已经请求了线程A当前所持有的锁。如果线程B确实有这样的请求，那么就是发生了死锁。

解除死锁
一旦检测出死锁，就应立即釆取相应的措施，以解除死锁。
死锁解除的主要方法有：

1. 资源剥夺法。挂起某些死锁进程，并抢占它的资源，将这些资源分配给其他的死锁进程。但应防止被挂起的进程长时间得不到资源，而处于资源匮乏的状态。
2. 撤销进程法。强制撤销部分、甚至全部死锁进程并剥夺这些进程的资源。撤销的原则可以按进程优先级和撤销进程代价的高低进行。
3. 进程回退法。让一（多）个进程回退到足以回避死锁的地步，进程回退时自愿释放资源而不是被剥夺。要求系统保持进程的历史信息，设置还原点。

补充：
如果当前系统的CPU利用率一直是100%，可能是当前系统发生了死锁。如何使用Java的命令结合Linux命令找出问题所在？
1/如果java程序不再运行
2/在Linux终端上输入jps命令查看目标进程的PID
3/通过jstack -l 43400命令查看进程的堆栈信信息，这时发现出现了死锁
死锁排查

使用 jps + jstack
第一：在windons命令窗口，使用 jps -l 进程ID
第二：使用jstack -l 进程ID