探秘死锁：原理、发生条件及解决方案

死锁是多线程编程中常见的一个问题，它会导致程序停止响应，进而影响系统的稳定性和性能。理解死锁的原理、发生条件以及如何预防和解决死锁是编写健壮并发程序的关键。

1. 死锁的定义

死锁是指两个或多个线程在执行过程中因争夺资源而相互等待，从而使得这几个线程都无法继续执行。死锁会导致系统资源无法被正常利用，进而影响系统的稳定性。

如上图所示死锁状态，线程 A 己经持有了资源 2，它同时还想申请资源 1，可是此时线程 B 已经持有了资源 1 ，线程 A 只能等待。

反观线程 B 持有了资源 1 ，它同时还想申请资源 2，但是资源 2 已经被线程 A 持有，线程 B 只能等待。所以线程 A 和线程 B 就因为相互等待对方已经持有的资源，而进入了死锁状态。

2. 死锁的四个必要条件

根据Coffman提出的经典死锁四个必要条件（又称Coffman条件）：

互斥（Mutual Exclusion）：资源不能被多个线程同时使用。
持有并等待（Hold and Wait）：一个线程已经持有了至少一个资源，同时又在等待获取额外的资源。
不可剥夺（No Preemption）：线程获得的资源在使用完之前不能被强行剥夺，只能由线程自己释放。
循环等待（Circular Wait）：存在一个循环等待链，即每个线程都在等待下一个线程所持有的资源。

3. 死锁的示例代码

以下是一个Java示例，展示了死锁的产生：

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: locked resource 1");
                try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) {}
                synchronized (resource2) {
                    System.out.println("Thread 1: locked resource 2");
                }
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            synchronized (resource2) {
                System.out.println("Thread 2: locked resource 2");
                try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) {}
                synchronized (resource1) {
                    System.out.println("Thread 2: locked resource 1");
                }
            }
        });

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

在这个示例中，thread1首先锁住resource1，然后试图锁住resource2。与此同时，thread2首先锁住resource2，然后试图锁住resource1。这会导致两个线程相互等待，从而产生死锁。

4. 死锁的预防和避免

破坏互斥条件

使资源尽量支持共享访问，例如使用读写锁来允许多个线程同时读取资源。

破坏持有并等待条件

线程在开始时一次性请求所需要的所有资源，如果没有得到全部资源，则释放已获得的资源并重新请求。
使用锁定机制时，可以尝试锁定时限，如果超时则释放已持有的锁。

破坏不可剥夺条件

设计资源请求策略，使得可以强制抢占资源。例如，使用可重入锁（ReentrantLock）和条件变量（Condition）来支持资源的强制释放。

破坏循环等待条件

为资源分配一个全局顺序，线程按照固定顺序请求资源，避免形成循环等待链。

5. 死锁检测与恢复

死锁检测

系统可以定期检测资源分配图，判断是否存在循环等待。如果发现死锁，则需要进行相应的恢复操作。

死锁恢复

资源抢占：强制从某个线程中剥夺资源，分配给其他需要资源的线程。
回滚：回滚部分或全部死锁进程的操作，使其释放所持有的资源。
终止进程：直接终止部分或全部死锁进程，从而释放资源。

示例代码中的解决方案

以下是改进后的代码，避免了死锁：

public class DeadlockFreeExample {
    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: locked resource 1");
                try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) {}
                synchronized (resource2) {
                    System.out.println("Thread 1: locked resource 2");
                }
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            synchronized (resource1) { // 改变锁顺序
                System.out.println("Thread 2: locked resource 1");
                try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) {}
                synchronized (resource2) {
                    System.out.println("Thread 2: locked resource 2");
                }
            }
        });

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