死锁的产生与四个必要条件

和烨

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于 2025-02-21 12:46:17 首次发布

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死锁的产生与四个必要条件

引言

死锁（Deadlock）是多线程编程中常见的问题，它会导致程序无法继续执行，严重影响系统的稳定性和性能。理解死锁的产生原因及其必要条件，是预防和解决死锁问题的关键。本文将详细介绍死锁的四个必要条件，并结合代码示例分析如何避免死锁。

1. 什么是死锁？

死锁是指两个或多个线程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象。如果没有外力干预，这些线程将无法继续执行下去。

示例

public class DeadlockExample {
    private static final Object resource1 = new Object();
    private static final Object resource2 = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            synchronized (resource1) {
                System.out.println("Thread 1: Holding resource 1...");
                try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
                System.out.println("Thread 1: Waiting for resource 2...");
                synchronized (resource2) {
                    System.out.println("Thread 1: Holding resource 1 and resource 2...");
                }
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            synchronized (resource2) {
                System.out.println("Thread 2: Holding resource 2...");
                try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
                System.out.println("Thread 2: Waiting for resource 1...");
                synchronized (resource1) {
                    System.out.println("Thread 2: Holding resource 1 and resource 2...");
                }
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

在上述代码中，thread1 和 thread2 分别持有 resource1 和 resource2，并试图获取对方的资源，从而导致死锁。

2. 死锁的四个必要条件

死锁的产生必须同时满足以下四个条件，缺一不可：

2.1 互斥条件（Mutual Exclusion）

定义：资源在同一时刻只能被一个线程占用。
解释：如果资源可以被多个线程共享，则不会发生死锁。

示例：

synchronized (resource1) {
    // 同一时刻只有一个线程可以进入此代码块
}

2.2 请求与保持条件（Hold and Wait）

定义：一个线程在持有至少一个资源的同时，又请求其他被占用的资源。
解释：如果线程在请求资源时不持有任何资源，或者可以释放已持有的资源，则不会发生死锁。

示例：

synchronized (resource1) {
    // 持有 resource1
    synchronized (resource2) {
        // 请求 resource2
    }
}

2.3 不剥夺条件（No Preemption）

定义：线程已获得的资源在未使用完之前，不能被其他线程强行剥夺。
解释：如果系统允许强制剥夺资源，则不会发生死锁。

示例：

synchronized (resource1) {
    // 除非线程主动释放，否则 resource1 不会被剥夺
}

2.4 循环等待条件（Circular Wait）

定义：多个线程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
解释：如果线程之间没有形成循环等待，则不会发生死锁。

示例：

// Thread 1 持有 resource1，等待 resource2
// Thread 2 持有 resource2，等待 resource1

3. 如何避免死锁

要避免死锁，只需破坏上述四个必要条件中的任意一个即可。以下是常见的避免死锁的策略：

3.1 破坏互斥条件

方法：尽量使用共享资源，避免独占资源。
示例：使用无锁数据结构（如 AtomicInteger）。

3.2 破坏请求与保持条件

方法：一次性申请所有需要的资源，或者在没有获取全部资源时释放已持有的资源。

示例：

synchronized (resource1) {
    synchronized (resource2) {
        // 一次性获取所有资源
    }
}

3.3 破坏不剥夺条件

方法：允许系统强制剥夺线程持有的资源。
示例：使用超时机制，如果线程在一定时间内未获取资源，则释放已持有的资源。

3.4 破坏循环等待条件

方法：对资源进行排序，按固定顺序申请资源。

示例：

// 定义资源的全局顺序
private static final Object resource1 = new Object();
private static final Object resource2 = new Object();

public void method1() {
    synchronized (resource1) {
        synchronized (resource2) {
            // 按顺序获取资源
        }
    }
}

public void method2() {
    synchronized (resource1) {
        synchronized (resource2) {
            // 按顺序获取资源
        }
    }
}