如何手动模拟一个死锁？

lsekfe · 发表于 2021-2-22 10:21:42

　在并发编程中有两个重要的概念：线程和锁，多线程是一把双刃剑，在提升性能的同时也带来了编码的复杂性，对开发者的要求也提升了一个档次。而锁的出现就是为了保障多线程同时操作一组资源时的数据一致性，当我们在给资源加上锁之后，只有拥有此锁的线程才能操作此资源，而其他线程只能排队等待使用此锁。
　　如何手动模拟一个锁？谈谈你对锁的理解
　　死锁指的是两个线程同时占有两个资源，同时又在等待对方释放锁资源。如图：

　　死锁的代码演示如下：

　package lock;
　　import java.util.concurrent.TimeUnit;
　　public class TestDeadLock {
　　 public static void main(String[] args) {
　　 deadLock();
　　 }
　　 private static void deadLock() {
　　 Object lock1 = new Object();
　　 Object lock2 = new Object();
　　 //线程1拥有 lock1 试图获取 lock2
　　 new Thread(() -> {
　　 synchronized (lock1) {
　　 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取lock1");
　　 try{
　　 TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
　　 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等待3秒");
　　 } catch (InterruptedException e) {
　　 e.printStackTrace();
　　 }
　　 synchronized (lock2) {
　　 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取lock2");
　　 }
　　 }
　　 }, "AAA").start();
　　 //线程2拥有lock2
　　 new Thread(() -> {
　　 synchronized (lock2) {
　　 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取lock2");
　　 try{
　　 TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
　　 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等待3秒");
　　 } catch (InterruptedException e) {
　　 e.printStackTrace();
　　 }
　　 synchronized (lock1) {
　　 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取lock1");
　　 }
　　 }
　　 }, "BBB").start();
　　 }
　　}

复制代码

以上程序执行结果如下：

　AAA获取lock1
　　BBB获取lock2
　　BBB等待3秒
　　AAA等待3秒

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　可以看出当我们使用线程一拥有锁 lock1 的同时试图获取 lock2，而线程二在拥有 lock2 的同时试图获取 lock1，这样就会造成彼此都在等待对方释放资源，于是就形成了死锁。　　锁是指在并发编程中，当有多个线程同时操作一个资源时，为了保证数据操作的正确性，我们需要让多线程排队一个一个的操作此资源，而这个过程就是给资源加锁和释放锁的过程，就好像去公共厕所一样，必须一个一个排队使用，并且在使用时需要锁门和开门一样。
　　·什么是乐观锁和悲观锁？它们的应用都有哪些？乐观锁有什么问题？
　　悲观锁指的是数据对外界的修改采取的保守策略，它认为线程很容易会把数据修改掉，因此在整个被修改的过程中都会采取上锁的状态，直到一个线程使用完，其他线程才可以继续使用。
　　用synchronized来实现悲观锁源码如下：

public class LockExample {
　　 public static void main(String[] args) {
　　 synchronized (LockExample.class) {
　　 System.out.println("lock");
　　 }
　　 }
　　}

复制代码

我们使用反编译工具查到的结果如下：

　Compiled from "LockExample.java"
　　public class com.lagou.interview.ext.LockExample {
　　 public com.lagou.interview.ext.LockExample();
　　 Code:
　　 0: aload_0
　　 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
　　 4: return
　　 public static void main(java.lang.String[]);
　　 Code:
　　 0: ldc #2 // class com/lagou/interview/ext/LockExample
　　 2: dup
　　 3: astore_1
　　 4: monitorenter // 加锁
　　 5: getstatic #3 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
　　 8: ldc #4 // String lock
　　 10: invokevirtual #5 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
　　 13: aload_1
　　 14: monitorexit // 释放锁
　　 15: goto 23
　　 18: astore_2
　　 19: aload_1
　　 20: monitorexit
　　 21: aload_2
　　 22: athrow
　　 23: return
　　 Exception table:
　　 from to target type
　　 5 15 18 any
　　 18 21 18 any
　　}

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　可以看出被 synchronized 修饰的代码块，在执行之前先使用 monitorenter 指令加锁，然后在执行结束之后再使用 monitorexit 指令释放锁资源，在整个执行期间此代码都是锁定的状态，这就是典型悲观锁的实现流程。　　乐观锁和悲观锁的概念恰好相反，乐观锁认为一般情况下数据在修改时不会出现冲突，所以在数据访问之前不会加锁，只是在数据提交更改时，才会对数据进行检测。
　　Java 中的乐观锁大部分都是通过 CAS（Compare And Swap，比较并交换）操作实现的，CAS 是一个多线程同步的原子指令，CAS 操作包含三个重要的信息，即内存位置、预期原值和新值。如果内存位置的值和预期的原值相等的话，那么就可以把该位置的值更新为新值，否则不做任何修改。
　　CAS 可能会造成 ABA 的问题，ABA 问题指的是，线程拿到了最初的预期原值 A，然而在将要进行 CAS 的时候，被其他线程抢占了执行权，把此值从 A 变成了 B，然后其他线程又把此值从 B 变成了 A，然而此时的 A 值已经并非原来的 A 值了，但最初的线程并不知道这个情况，在它进行 CAS 的时候，只对比了预期原值为 A 就进行了修改，这就造成了 ABA 的问题。
　　以警匪剧为例，假如某人把装了 100W 现金的箱子放在了家里，几分钟之后要拿它去赎人，然而在趁他不注意的时候，进来了一个小偷，用空箱子换走了装满钱的箱子，当某人进来之后看到箱子还是一模一样的，他会以为这就是原来的箱子，就拿着它去赎人了，这种情况肯定有问题，因为箱子已经是空的了，这就是 ABA 的问题。
　　ABA 的常见处理方式是添加版本号，每次修改之后更新版本号，拿上面的例子来说，假如每次移动箱子之后，箱子的位置就会发生变化，而这个变化的位置就相当于“版本号”，当某人进来之后发现箱子的位置发生了变化就知道有人动了手脚，就会放弃原有的计划，这样就解决了 ABA 的问题。
　　JDK 在 1.5 时提供了 AtomicStampedReference 类也可以解决 ABA 的问题，此类维护了一个“版本号” Stamp，每次在比较时不止比较当前值还比较版本号，这样就解决了 ABA 的问题。
　　相关源码如下：

　public class AtomicStampedReference<V> {
　　 private static class Pair<T> {
　　 final T reference;
　　 final int stamp; // “版本号”
　　 private Pair(T reference, int stamp) {
　　 this.reference = reference;
　　 this.stamp = stamp;
　　 }
　　 static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
　　 return new Pair<T>(reference, stamp);
　　 }
　　 }
　　 // 比较并设置
　　 public boolean compareAndSet(V expectedReference,
　　 V newReference,
　　 int expectedStamp, // 原版本号
　　 int newStamp) { // 新版本号
　　 Pair<V> current = pair;
　　 return
　　 expectedReference == current.reference &&
　　 expectedStamp == current.stamp &&
　　 ((newReference == current.reference &&
　　 newStamp == current.stamp) ||
　　 casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
　　 }
　　 //.......省略其他源码
　　}

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可以看出它在修改时会进行原值比较和版本号比较，当比较成功之后会修改值并修改版本号。　　小贴士：乐观锁有一个优点，它在提交的时候才进行锁定的，因此不会造成死锁。
　　·什么是可重入锁？用代码如何实现？它的实现原理是什么？
　　可重入锁也叫递归锁，指的是同一个线程，如果外层函数拥有此锁之后，内层的函数也可以继续获取该锁。在Java语言中ReentrantLock和synchronized都是可重入锁。
　　用synchronized来演示一下什么是可重入锁：

　package lock;
　　public class TestReentrantLock {
　　 public static void main(String[] args) {
　　 reentrantA();
　　 }
　　 private static synchronized void reentrantA() {
　　 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " thread runs reentrantA()");
　　 reentrantB();
　　 }
　　 private static synchronized void reentrantB() {
　　 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " thread runs reentrantB()");
　　 }
　　}

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程序执行结果如下：

main thread runs reentrantA()
　　main thread runs reentrantB()

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从结果可以看出 reentrantA 方法和 reentrantB 方法的执行线程都是“main” ，我们调用了 reentrantA 方法，它的方法中嵌套了 reentrantB，如果 synchronized 是不可重入的话，那么线程会被一直堵塞。　　可重入锁的实现原理，是在锁内部存储了一个线程标识，用于判断当前的锁属于哪个线程，并且锁的内部维护了一个计数器，当锁空闲时此计数器的值为 0，当被线程占用和重入时分别加 1，当锁被释放时计数器减 1，直到减到 0 时表示此锁为空闲状态。
　　·什么是共享锁和独占锁？
　　只能被单线程持有的锁叫独占锁，可以被多线程持有的锁叫共享锁。
　　独占锁指的是在任何时候最多只能有一个线程持有该锁，比如synchronized就是独占锁，而ReadWriteLock读写锁允许同一时间内有多个线程进行操作，它就属于共享锁。
　　独占锁可以理解为悲观锁，当每次访问资源时都要加上互斥锁，而共享锁可以理解为乐观锁，它放宽了加锁的条件，允许多线程同时访问该资源。
　　共享锁，又称为读锁，获得共享锁之后，可以查看但无法修改和删除数据。排他锁，又称为写锁、独占锁。获准排他锁后，既能读数据，又能修改数据。

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