并发编程死锁的产生与范例分析

1.关于死锁

当两个以上的运算单元，双方都在等待对方停止运行，以获取系统资源，但是没有一方提前退出时，这种状况，就称为死锁。在多任务操作系统中，操作系统为了协调不同进程，能否获取系统资源时，为了让系统运作，就必须要解决这个问题。
进程死锁是操作系统或软件运行的一种状态：在多任务系统下，当一个或多个进程等待系统资源，而资源又被进程本身或其它进程占用时，就形成了死锁。

2.死锁范例

 

/**
 * 死锁范例
 * 类的静态变量是各个实例共享的，只分配一次，因此对这两个变量的同步可能会导致死锁
 * 两个线程在分别占有obj1和obj2后，一直等待obj2和obj1的锁释放，进入死锁状态不能继续执行
 * @author Bingyue
 *
 */
public class DeadLock implements Runnable{
	
	int flag;
	/**
	 * 类的静态变量是各个实例共享的，只分配一次，因此对这两个变量的同步可能会导致死锁
	 */
	private static Object obj1 = new Object();
	private static Object obj2 = new Object();  
	DeadLock(int flag){
		this.flag=flag;
	}

	public static void main(String[] args){
		DeadLock thread1=new DeadLock(1);
		DeadLock thread2=new DeadLock(2);
		
		new Thread(thread1).start();  
        new Thread(thread2).start(); 
		
	}	 
	
		@Override
		public void run() {
			String name = Thread.currentThread().getName();
			/**
			 * 线程1的操作
			 */
			if(flag==1){
				//线程1占有o1,同时请求o2的锁
	            synchronized (obj1) {  
	                try {
	                	System.out.println(name+"占有obj1的同步锁");  
						Thread.sleep(1000);
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}  
	                synchronized (obj2) {  
	                    System.out.println(name+"继续执行得到obj2的同步锁");  
	                }   }  }
			/**
			 * 线程2的操作
			 */
			if(flag==2){
				//线程2占有o2,同时请求o1的锁
	            synchronized (obj2) {  
	                try {
	                	System.out.println(name+"占有obj2的同步锁");  
						Thread.sleep(500);
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}  
	                synchronized (obj1) {  
	                    System.out.println(name+"继续执行得到obj1的同步锁");  
	                }   }  }
		}
}

　　

3.死锁的预防和消除

如果系统中只有一个进程，当然不会产生死锁。如果每个进程仅需求一种系统资源，也不会产生死锁。不过这只是理想状态，在现实中是可遇不可求的。

死锁的四个条件是：
禁止抢占：no preemption 进程已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。
持有和等待：hold and wait 一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
互斥：mutual exclusion 一个资源每次只能被一个进程使用。
循环等待：circular waiting 若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
预防死锁就是至少破坏这四个条件其中一项，只要破坏这四个必要条件中的任意一个条件，死锁就不会发生。

（1）打破互斥条件。即允许进程同时访问某些资源。但是，有的资源是不允许被同时访问的，像打印机等等，这是由资源本身的属性所决定的。所以，这种办法并无实用价值。
（2）打破不可抢占条件。即允许进程强行从占有者那里夺取某些资源。就是说，当一个进程已占有了某些资源，它又申请新的资源，但不能立即被满足时，它必须释放所占有的全部资源，以后再重新申请。它所释放的资源可以分配给其它进程。这就相当于该进程占有的资源被隐蔽地强占了。这种预防死锁的方法实现起来困难，会降低系统性能。
（3）打破占有且申请条件。可以实行资源预先分配策略。即进程在运行前一次性地向系统申请它所需要的全部资源。如果某个进程所需的全部资源得不到满足，则不分配任何资源，此进程暂不运行。只有当系统能够满足当前进程的全部资源需求时，才一次性地将所申请的资源全部分配给该进程。由于运行的进程已占有了它所需的全部资源，所以不会发生占有资源又申请资源的现象，因此不会发生死锁。但是，这种策略也有如下缺点：

• 在许多情况下，一个进程在执行之前不可能知道它所需要的全部资源。这是由于进程在执行时是动态的，不可预测的；
• 资源利用率低。无论所分资源何时用到，一个进程只有在占有所需的全部资源后才能执行。即使有些资源最后才被该进程用到一次，但该进程在生存期间却一直占有它们，造成长期占着不用的状况。这显然是一种极大的资源浪费；
• 降低了进程的并发性。因为资源有限，又加上存在浪费，能分配到所需全部资源的进程个数就必然少了。

（4）打破循环等待条件，实行资源有序分配策略。采用这种策略，即把资源事先分类编号，按号分配，使进程在申请，占用资源时不会形成环路。所有进程对资源的请求必须严格按资源序号递增的顺序提出。进程占用了小号资源，才能申请大号资源，就不会产生环路，从而预防了死锁。这种策略与前面的策略相比，资源的利用率和系统吞吐量都有很大提高，但是也存在以下缺点：

• 限制了进程对资源的请求，同时给系统中所有资源合理编号也是件困难事，并增加了系统开销；
• 为了遵循按编号申请的次序，暂不使用的资源也需要提前申请，从而增加了进程对资源的占用时间。

4.死锁的避免

我们也可以尝试回避死锁。因为在理论上，死锁总是可能产生的，所以操作系统尝试监视所有进程，使其没有死锁。

银行家算法（Banker's Algorithm）是一个避免死锁（Deadlock）的著名算法，是由艾兹格·迪杰斯特拉在1965年为T.H.E系统设计的一种避免死锁产生的算法。它以银行借贷系统的分配策略为基础，判断并保证系统的安全运行。
在银行中，客户申请贷款的数量是有限的，每个客户在第一次申请贷款时要声明完成该项目所需的最大资金量，在满足所有贷款要求时，客户应及时归还。银行家在客户申请的贷款数量不超过自己拥有的最大值时，都应尽量满足客户的需要。在这样的描述中，银行家就好比操作系统，资金就是资源，客户就相当于要申请资源的进程。

1.安全序列

  我们首先引入安全序列的定义：所谓系统是安全的，是指系统中的所有进程能够按照某一种次序分配资源，并且依次地运行完毕，这种进程序列{P1，P2，...，Pn}就是安全序列。如果存在这样一个安全序列，则系统是安全的；如果系统不存在这样一个安全序列，则系统是不安全的。

  安全序列{P1，P2，...，Pn}是这样组成的：若对于每一个进程Pi，它需要的附加资源可以被系统中当前可用资源加上所有进程Pj当前占有资源之和所满足，则{P1，P2，...，Pn}为一个安全序列，这时系统处于安全状态，不会进入死锁状态。 　

  虽然存在安全序列时一定不会有死锁发生，但是系统进入不安全状态（四个死锁的必要条件同时发生）也未必会产生死锁。当然，产生死锁后，系统一定处于不安全状态。 

2.银行家算法

  这是一个著名的避免死锁的算法，是由Dijstra首先提出来并加以解决的。　

  一个银行家如何将一定数目的资金安全地借给若干个客户，使这些客户既能借到钱完成要干的事，同时银行家又能收回全部资金而不至于破产，这就是银行家问题。这个问题同操作系统中资源分配问题十分相似：银行家就像一个操作系统，客户就像运行的进程，银行家的资金就是系统的资源。

  一个银行家拥有一定数量的资金，有若干个客户要贷款。每个客户须在一开始就声明他所需贷款的总额。若该客户贷款总额不超过银行家的资金总数，银行家可以接收客户的要求。客户贷款是以每次一个资金单位（如1万RMB等）的方式进行的，客户在借满所需的全部单位款额之前可能会等待，但银行家须保证这种等待是有限的，可完成的。

  例如：有三个客户C1，C2，C3，向银行家借款，该银行家的资金总额为10个资金单位，其中C1客户要借9各资金单位，C2客户要借3个资金单位，C3客户要借8个资金单位，总计20个资金单位。某一时刻的状态如图所示。

  

C1 2(7) C2 2(1) C3 4(4) 余额2

C1 2(7) C3 4(4)   余额4

C1 2(7) 余额8

余额10

(a)

(b)

(c)

(d)

 

                                       银行家算法示意

  对于a图的状态，按照安全序列的要求，我们选的第一个客户应满足该客户所需的贷款小于等于银行家当前所剩余的钱款，可以看出只有C2客户能被满足：C2客户需1个资金单位，小银行家手中的2个资金单位，于是银行家把1个资金单位借给C2客户，使之完成工作并归还所借的3个资金单位的钱，进入b图。同理，银行家把4个资金单位借给C3客户，使其完成工作，在c图中，只剩一个客户C1，它需7个资金单位，这时银行家有8个资金单位，所以C1也能顺利借到钱并完成工作。最后（见图d）银行家收回全部10个资金单位，保证不赔本。那麽客户序列{C1，C2，C3}就是个安全序列，按照这个序列贷款，银行家才是安全的。否则的话，若在图b状态时，银行家把手中的4个资金单位借给了C1，则出现不安全状态：这时C1，C3均不能完成工作，而银行家手中又没有钱了，系统陷入僵持局面，银行家也不能收回投资。

  综上所述，银行家算法是从当前状态出发，逐个按安全序列检查各客户谁能完成其工作，然后假定其完成工作且归还全部贷款，再进而检查下一个能完成工作的客户，......。如果所有客户都能完成工作，则找到一个安全序列，银行家才是安全的。

  从上面分析看出，银行家算法允许死锁必要条件中的互斥条件，占有且申请条件，不可抢占条件的存在，这样，它与预防死锁的几种方法相比较，限制条件少了，资源利用程度提高了。

这是该算法的优点。其缺点是：

   〈1〉这个算法要求客户数保持固定不变，这在多道程序系统中是难以做到的。   

   〈2〉这个算法保证所有客户在有限的时间内得到满足，但实时客户要求快速响应，所以要考虑这个因素。  

    〈3〉由于要寻找一个安全序列，实际上增加了系统的开销。

 

5.死锁的消除

最简单的消除死锁的办法是重启系统。更好的办法是终止一个进程的运行。
同样也可以把一个或多个进程回滚到先前的某个状态。如果一个进程被多次回滚，迟迟不能占用必需的系统资源，可能会导致进程饥饿。

 

参考 

进程死锁及解决办法  

java 死锁例子及相关讲解