Java 死锁深入解析

简介

在 Java 多线程编程中，死锁是一个常见且棘手的问题。当多个线程相互等待对方释放资源时，就会形成死锁，导致程序无法继续执行。本文将详细介绍 Java 死锁的基础概念、使用方法（这里其实更多是死锁的产生及检测等操作）、常见实践以及最佳实践，帮助读者深入理解并掌握如何处理 Java 死锁问题。

死锁的基础概念

定义

死锁是指两个或多个线程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。

必要条件

互斥条件：进程对所分配到的资源进行排他性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。
请求和保持条件：进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。
不剥夺条件：进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
循环等待条件：在发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链，即进程集合{P0，P1，P2，···，Pn}中的 P0 正在等待一个 P1 占用的资源；P1 正在等待 P2 占用的资源，……，Pn 正在等待已被 P0 占用的资源。

死锁的产生示例

以下是一个简单的 Java 代码示例，演示了死锁的产生：

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: Holding resource 1...");
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                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) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("Thread 2: Waiting for resource 1...");
                synchronized (resource1) {
                    System.out.println("Thread 2: Holding resource 2 and resource 1...");
                }
            }
        });

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

在上述代码中，thread1 先获取 resource1，然后尝试获取 resource2；而 thread2 先获取 resource2，然后尝试获取 resource1。这样就可能导致两个线程相互等待，从而产生死锁。

死锁的检测与诊断

使用 jstack 工具

jstack 是 Java 自带的一个工具，可以用于生成 Java 虚拟机当前时刻的线程快照。通过分析线程快照，可以检测到死锁的存在。步骤如下： 1. 找到 Java 进程的 PID。可以使用 jps 命令查看所有 Java 进程的 PID。 2. 使用 jstack <PID> 命令生成线程快照。 3. 在输出中查找是否有死锁信息。

使用 VisualVM

VisualVM 是一个可视化的监控工具，可以直观地查看 Java 进程的线程状态。在 VisualVM 中，可以很方便地检测到死锁，并查看死锁的详细信息。

常见实践

嵌套同步块

在多线程编程中，嵌套同步块是导致死锁的常见原因之一。如上述示例中的代码，由于嵌套同步块的使用，使得线程可能相互等待，从而产生死锁。

资源竞争

多个线程同时竞争有限的资源时，也容易产生死锁。例如，多个线程同时访问数据库的同一行记录，可能会导致死锁。

最佳实践

避免嵌套同步块

尽量避免在一个同步块中嵌套另一个同步块，以减少死锁的发生概率。可以将同步块的逻辑拆分成多个独立的方法，分别进行同步。

按顺序获取资源

为了避免循环等待条件的发生，可以规定所有线程都按照相同的顺序获取资源。例如，在上述示例中，可以让两个线程都先获取 resource1，再获取 resource2。修改后的代码如下：

public class DeadlockAvoidanceExample {
    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) {
                    e.printStackTrace();
                }
                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 (resource1) {
                System.out.println("Thread 2: Holding resource 1...");
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("Thread 2: Waiting for resource 2...");
                synchronized (resource2) {
                    System.out.println("Thread 2: Holding resource 1 and resource 2...");
                }
            }
        });

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

使用定时锁

可以使用 ReentrantLock 的 tryLock(long timeout, TimeUnit unit) 方法，在一定时间内尝试获取锁。如果在规定时间内无法获取锁，则放弃获取，避免线程长时间等待。示例代码如下：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class TimeoutLockExample {
    private static final ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
    private static final ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            try {
                if (lock1.tryLock(1, java.util.concurrent.TimeUnit.SECONDS)) {
                    System.out.println("Thread 1: Holding lock 1...");
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("Thread 1: Waiting for lock 2...");
                    if (lock2.tryLock(1, java.util.concurrent.TimeUnit.SECONDS)) {
                        System.out.println("Thread 1: Holding lock 1 and lock 2...");
                        lock2.unlock();
                    }
                    lock1.unlock();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            try {
                if (lock1.tryLock(1, java.util.concurrent.TimeUnit.SECONDS)) {
                    System.out.println("Thread 2: Holding lock 1...");
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("Thread 2: Waiting for lock 2...");
                    if (lock2.tryLock(1, java.util.concurrent.TimeUnit.SECONDS)) {
                        System.out.println("Thread 2: Holding lock 1 and lock 2...");
                        lock2.unlock();
                    }
                    lock1.unlock();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

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

小结

死锁是 Java 多线程编程中一个常见且棘手的问题。通过深入理解死锁的基础概念、产生原因和检测方法，以及掌握避免死锁的最佳实践，可以有效地减少死锁的发生，提高 Java 程序的稳定性和可靠性。

参考资料

《Effective Java》
Java 官方文档
《Java 并发编程实战》