Java工程师如何解决死锁问题

一、什么是死锁

死锁是指在一组进程中，每个进程都在等待其他进程释放资源，而自己却不释放已经占有的资源，导致所有进程都陷入了无限等待的状态，无法继续执行。这种情况被称为死锁。

Java中，当两个或多个线程被无限期地阻塞，等待彼此释放所占用的资源时会发生死锁。死锁通常发生在多个线程同时请求多个共享资源的时候。

二、死锁的原因

发生死锁的原因主要是由于多个线程持有彼此需要的资源，又都不愿先释放手中的资源，因此无法继续执行。具体来说，发生死锁需要满足以下四个条件：

• 互斥条件：指进程对资源进行排它性控制，即在一段时间内某个资源只能被一个进程占有。
• 请求与保持条件：指进程在申请新的资源时，已经持有其他资源，但是申请的新资源被其他进程占用，此时请求资源的进程会阻塞，但是它还会继续持有已经拥有的资源。
• 不剥夺条件：指进程所占用的资源不能被其他进程抢夺，只能由该进程自己释放。
• 循环等待条件：指有两个或多个进程组成环路，每个进程都在等待下一个进程所占用的资源。

三、如何避免死锁

1. 破坏互斥条件

由于互斥条件是指对共享资源的排它性控制，但是对于允许同时访问的资源，我们可以将其从互斥资源中剥离出来。比如对于线程共同使用的读取文件指针，如果所有线程使用同一指针，会出现互斥冲突。此时，我们可以为每个线程分别创建一个读取文件指针，避免互斥。

2. 破坏请求和保持条件

为了破坏请求和保持条件，我们可以按照顺序一次性请求所有需要的资源，不再一边持有资源一边请求其他资源，避免阻塞其他线程。如果请求不到所有资源，就释放已经获得的资源，重新开始整个请求流程。

3. 破坏不剥夺条件

不剥夺条件是指占据资源的线程不能被其他线程强行剥夺资源。此时，我们可以对某些资源进行抢占，强制剥夺已经占用该资源的线程。

4. 破坏循环等待条件

为了破坏循环等待条件，我们可以使用资源有序性来防止循环等待的出现。给每个资源分配一个全局唯一的编号，每个线程按编号的顺序请求资源，释放资源则按相反的顺序进行，这样就可以消除循环等待的情况。

四、示例代码

1. 破坏互斥条件

public class NoMutexDeadlock implements Runnable {
    private static final Object LOCK1 = new Object();
    private static final Object LOCK2 = new Object();

    private boolean flag;

    public NoMutexDeadlock(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }

    @Override
    public void run() {
        if (flag) {
            synchronized (LOCK1) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取到了 LOCK1");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (LOCK2) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取到了 LOCK2");
                }
            }

        } else {
            synchronized (LOCK2) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取到了 LOCK2");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (LOCK1) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取到了 LOCK1");
                }
            }
        }
    }
}

在这个例子中，我们定义了两个锁对象，LOCK1和LOCK2，并且两个线程在获取资源时使用不同的顺序，这样就避免了死锁的发生。

2. 破坏请求和保持条件

public class NoRequestHoldDeadlock implements Runnable {
    private static final Object LOCK1 = new Object();
    private static final Object LOCK2 = new Object();

    private boolean flag;

    public NoRequestHoldDeadlock(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }

    @Override
    public void run() {
        if (flag) {
            synchronized (LOCK1) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取到了 LOCK1");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (LOCK2) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取到了 LOCK2");
                }
            }

        } else {
            synchronized (LOCK1) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取到了 LOCK1");
                synchronized (LOCK2) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取到了 LOCK2");
                }
            }
        }
    }
}

在这个例子中，在线程获取资源时，我们一次性请求所有需要的资源，不再一边持有资源一边请求其他资源，避免阻塞其他线程。

3. 破坏不剥夺条件

public class NoDeprivationDeadlock implements Runnable {
    private static final Object LOCK1 = new Object();
    private static final Object LOCK2 = new Object();

    private boolean flag;

    public NoDeprivationDeadlock(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }

    @Override
    public void run() {
        if (flag) {
            while (true) {
                synchronized (LOCK1) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取到了 LOCK1");
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    synchronized (LOCK2) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取到了 LOCK2");
                    }
                }
            }
        } else {
            while (true) {
                synchronized (LOCK2) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取到了 LOCK2");
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    synchronized (LOCK1) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取到了 LOCK1");
                    }
                }
            }
        }
    }
}

public class NoDeprivationDeadlockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new NoDeprivationDeadlock(true)).start();
        new Thread(new NoDeprivationDeadlock(false)).start();
    }
}

在这个例子中，我们使用一个while循环，强制让线程不停地执行，使得可以强制剥夺已经占用该资源的线程。

4. 破坏循环等待条件

public class NoCircularWaitDeadlock implements Runnable {

    private int resources;
    private static final Object lock = new Object();
    private static int resourceCount = 0;

    public NoCircularWaitDeadlock(int resources) {
        this.resources = resources;
    }

    @Override
    public void run() {
        int waitCount = 0;
        while (true) {
            synchronized (lock) {
                if (resourceCount >= resources) {
                    return;
                }
                resourceCount++;
            }
            synchronized (this) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取到了资源 " + resourceCount);
                try {
                    if (++waitCount > 100) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 超过等待时间，退出请求");
                        return;
                    }
                    wait(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

public class NoCircularWaitDeadlockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new NoCircularWaitDeadlock(5)).start();
        }
    }
}

在这个例子中，我们为每个资源分配一个全局唯一的编号，并且每个线程按编号的顺序请求资源，释放资源则按相反的顺序进行，这样就可以消除循环等待的情况。

五、总结

死锁问题需要我们从多个方面来解决，可以根据实际情况选择不同的方法来避免死锁的出现。