程序员的踩坑经验总结（四）：死锁
死锁也是程序员最常见的问题之一了，但是死锁跟内存泄露不同，原理和原因都相对简单，简单说就是你等我，我也等你，就这么耗着！
但死锁的影响有时比内存泄露更严重。内存泄露主要是渐进式的，可能重启一下就可以从头开始了。而死锁是重启不了，这只是直接影响而已。死锁一般会出现某个功能或者操作无反应，可能进一步没有了心跳而下线，服务停止。而一般的看门狗也发现不了，进程还在。一般都需要手动杀进程。所以对于绝大多数的业务都是不可以接受的。
而造成死锁的原因差别也比较大，有的可能只是程序员的一时疏忽，可有的也会让你头痛。
我们以前平台的死锁也是家常便饭，我记得的常见的有两种情况。
（一）锁跨度很大，代码的跨度，看上去两个不怎么相关的类，竟然在互相调用！还带着锁。我印象中我们的流媒体出现过的一次死锁，就是有两个TCP session各自的两个函数在嵌套调用。
（二）一把锁，涉及范围很大，锁定一个对象的操作可能已经有四五种，但是涉及使用到的函数却是翻倍甚至几十个都有可能。虽然也在一个类里面，但是类很长，带有同一把锁的函数之间就可能出现互相调用。
一看就知道都是设计的问题，不出问题才怪。可是问题要解决啊，针对这些问题，后面我琢磨出了一套方法。
案例分析
案例有点久远，当时没有留下文档，所幸代码还在，针对上面第二种情况的。所以只能是稍微描述下当时的情况和截图看看最后是如何解决的。
首先我们看下这个类有多长：
有没有傻眼。这又要勾起我多少痛苦的回忆。也好吧，让你们开心一下。不过你们也开心不了多久，我都有解决之道：）
看看我留下的痕迹：
改动了31行，这还只是关于关键字的搜索。有多少个函数，你猜，哈。我们主要看后面的注释，有两次提到“可能同时”调用或者进来。你也可以看到，我的解决方法是使用了位运算。
这一招又是从上一家学来的。其实现在看很多开源库和内核都是大量使用了位运算，很多文档也提到了，像Redis、文件系统、虚拟内存等。
我们再来看看定义：
老的锁已经放注释里面的了，锁的对象是一个链表list。新添加了一个整型变量，把变量的几个值定义成一个枚举类型。
所以这几个情况就代表了几种功能，这里是四种情况，可是实现类里面却有31处！你说能不死锁吗？
我们再次还原下当时的情景。
这个list是文件列表，而它的业务无非是增删改查。如果设计简单的话，一把锁也够了。但是真正简单设计有这么容易吗？
我们又回到这个类，第一个截图显示2500行，根据设计基本原则，一般一个类不能超过1000行。这里早就可以划分至少三个类了。
怎么划分，有人会建议把这个list单独拿出去，是，我也想过。但是关系复杂了，所以我们又到了第二张图，你看涉及到的函数只会有增删改查吗？
和其他的对象和方法交织在一起了！要想抽丝剥离，只能重构！事实上，后面都重构了。
但是问题要解决。重构是后面的事，一旦出现这种严重问题，当下就是解决问题。所以我后面去掉了锁，重现定义了新的变量。具体怎么弄？
见最后这张图，一个变量四个值，但是这四个值可不是连续的，看到了吗，0、1、2、4，为什么？
因为要实现二进制运算，所以他们的的二进制位对应就是，0000、0001、0010、0100。每个值用一位表示一种操作，互不干扰。该位为1表示占用，如果是0表示未占用。代表了以前的锁状态。
所以虽然锁没有了，但是（锁的）功能还是有的。这是一个方面，不能影响原有的功能，原来的样子（虽然不好看，但是不能再引发其他问题了）。另一方面，问题也要解决，仍然是利用了这几个位！
上面的四个值，对应的不完全是增删改查，具体对应了：初始化、查、删、删并且加四个状态，但实际上操作是后三种。事实上初始化值0也可以说没有占位。
开始我们提到了每个位互不干扰，现在确定是三个位互不干扰。所以在进入某种操作时，首先判断当前状态，是可重入还是需要等待。
例如说，如果当前只是查，那么继续查（另一个查操作）肯定没问题，而其他两种需要稍微等一下，这里的等待是20次sleep的20ms循环，只要查操作结束，马上进入下一步。
但是如果循环已经完成，而状态依然没变化，那么这里不等待了，直接退出。下次再进来询问。
所以这里不同的操作对应了不同的方式，因情况而异。这样就不会导致死锁。同时，这些改变都需要加日志跟踪，可以发现等待了多久，哪个函数占用时间太长，如果能减少该函数占用的时间就是最好的了。在实际项目中，能优化的也有。但有的就只能惊讶了，有碰到过一个方法里面有调用两个while嵌套循环，简单的计算也行了，有些循环里面还调用多个方法。所以只能用这种方法了。
当然这个解决方法是有点抽象，所以为了说清楚这个方法，我想了很久，其他部分早写完了，剩下这里反复改，希望你能看明白。
其实，我后面再看分布式的锁的实现，原理和复杂程度也不过如此:)，因为我们这些代码早就把我给臣服了:(
总结和建议
（一）原理与依据
我们上面提到了解决方法，那么它的理论依据是什么？
我们稍微窥视一下锁的实现。linux 2.6 kernel的源码，互斥锁所使用的数据结构：
这里只是列出了内核中，锁的定义，其实它的实现还有很多。有兴趣的可以看源码。我们回到这个主题，不知大家发现没有，其实锁的本质也是一个整型变量。
而我就是利用了这个特性，当然也有一点自旋锁的特性。你可以再往会看，第二张图，其中有三处for循环，就是说我会根据情况进行判断和等待一会，但不是忙等待，就是说到了一定的时间后，我会强制改变状态和退出。所以和自旋锁又有不同。
所以总结一下，原理很重要！
（二）死锁的预防
和内存泄露一样，死锁的预防也在于设计。所以代码的质量在于设计！这里同样只针对死锁的问题提几个建议。
1.减少锁定代码的范围
锁定的代码行数，一定用到的时候才用，只将相关的变量括起来。而不是锁定整个函数。
写段伪代码说明下。
std::mutex m_mutex; int g_diff = 3; int funA() { unique_lock<mutex> lock(m_mutex); int a = 5; //中间省去若干 return a+g_diff; } int funB() { int a = 5; int b = 0; { unique_lock<mutex> lock(m_mutex); b = a+g_diff; } //中间省去若干 return b; }
函数funB肯定比函数funA更好。
2.降低锁的粒度
通常，一个变量一把锁，或者一个功能点一把锁，而不是一个类一把锁。
那有的人会说如果要锁住一个类，怎么办？
我见过的只有在一种情况下一个类才需要用到锁，就是把这个类当变量使用。所以这种情况也可以归纳到一个变量，或者说一个对象。而这种情况一般用在单例模式中，所以即使锁住也不可能出现方法的嵌套而导致死锁。关于单例模式的使用，我后面还有文章将会介绍。很快，后面第二篇吧。
而且这里说的一个变量，或者一个功能点要职责单一。一个类何尝不是如此！
案例里面其实就是函数的功能模糊，类的职责模糊，估计当时都没有设计，反正把相关的都放一起，一锅乱炖！
所以这是设计和开发里面的大忌！后面就是改不完的Bug、踩不完的坑。。
3.减少锁的使用
尽量不用锁、少用锁。非用不可才用锁。
一方面因为多了容易造成死锁，另一方面锁有一定的消耗。上面提到的源码只是一个定义而已，而它的实现不仅仅有几处循环，还有回调函数。
当然，这一点说起来容易，做起来难！具体怎么少用，有没有好的方法？
我的回答当然是有，请听下回分解。
