Java工程師如何解決死鎖問題

一、什麼是死鎖

死鎖是指在一組進程中，每個進程都在等待其他進程釋放資源，而自己卻不釋放已經佔有的資源，導致所有進程都陷入了無限等待的狀態，無法繼續執行。這種情況被稱為死鎖。

Java中，當兩個或多個線程被無限期地阻塞，等待彼此釋放所佔用的資源時會發生死鎖。死鎖通常發生在多個線程同時請求多個共享資源的時候。

二、死鎖的原因

發生死鎖的原因主要是由於多個線程持有彼此需要的資源，又都不願先釋放手中的資源，因此無法繼續執行。具體來說，發生死鎖需要滿足以下四個條件：

• 互斥條件：指進程對資源進行排它性控制，即在一段時間內某個資源只能被一個進程佔有。
• 請求與保持條件：指進程在申請新的資源時，已經持有其他資源，但是申請的新資源被其他進程佔用，此時請求資源的進程會阻塞，但是它還會繼續持有已經擁有的資源。
• 不剝奪條件：指進程所佔用的資源不能被其他進程搶奪，只能由該進程自己釋放。
• 循環等待條件：指有兩個或多個進程組成環路，每個進程都在等待下一個進程所佔用的資源。

三、如何避免死鎖

1. 破壞互斥條件

由於互斥條件是指對共享資源的排它性控制，但是對於允許同時訪問的資源，我們可以將其從互斥資源中剝離出來。比如對於線程共同使用的讀取文件指針，如果所有線程使用同一指針，會出現互斥衝突。此時，我們可以為每個線程分別創建一個讀取文件指針，避免互斥。

2. 破壞請求和保持條件

為了破壞請求和保持條件，我們可以按照順序一次性請求所有需要的資源，不再一邊持有資源一邊請求其他資源，避免阻塞其他線程。如果請求不到所有資源，就釋放已經獲得的資源，重新開始整個請求流程。

3. 破壞不剝奪條件

不剝奪條件是指佔據資源的線程不能被其他線程強行剝奪資源。此時，我們可以對某些資源進行搶佔，強制剝奪已經佔用該資源的線程。

4. 破壞循環等待條件

為了破壞循環等待條件，我們可以使用資源有序性來防止循環等待的出現。給每個資源分配一個全局唯一的編號，每個線程按編號的順序請求資源，釋放資源則按相反的順序進行，這樣就可以消除循環等待的情況。

四、示例代碼

1. 破壞互斥條件

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

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

在這個例子中，我們定義了兩個鎖對象，LOCK1和LOCK2，並且兩個線程在獲取資源時使用不同的順序，這樣就避免了死鎖的發生。

2. 破壞請求和保持條件

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

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

在這個例子中，在線程獲取資源時，我們一次性請求所有需要的資源，不再一邊持有資源一邊請求其他資源，避免阻塞其他線程。

3. 破壞不剝奪條件

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

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

在這個例子中，我們使用一個while循環，強制讓線程不停地執行，使得可以強制剝奪已經佔用該資源的線程。

4. 破壞循環等待條件

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() + " 獲取到了資源 " + resourceCount);
                try {
                    if (++waitCount > 100) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 超過等待時間，退出請求");
                        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();
        }
    }
}

在這個例子中，我們為每個資源分配一個全局唯一的編號，並且每個線程按編號的順序請求資源，釋放資源則按相反的順序進行，這樣就可以消除循環等待的情況。

五、總結

死鎖問題需要我們從多個方面來解決，可以根據實際情況選擇不同的方法來避免死鎖的出現。