实例详解 Java 死锁与破解死锁

锁和被保护资源之间的关系

我们把一段需要互斥执行的代码称为临界区。线程在进入临界区之前，首先尝试加锁 lock()，如果成功，则进入临界区，此时我们称这个线程持有锁；否则呢就等待，直到持有锁的线程解锁；持有锁的线程执行完临界区的代码后，执行解锁 unlock()。这样理解本身没有问题，但却很容易让我们忽视两个非常非常重要的点：我们锁的是什么？我们保护的又是什么？

我们知道在现实世界里，锁和锁要保护的资源是有对应关系的，比如你用你家的锁保护你家的东西，我用我家的锁保护我家的东西。在并发编程世界里，锁和资源也应该有这个关系，因此，一个好的锁模型如下图所示。

锁模型

首先，我们要把临界区要保护的资源标注出来，如图中临界区里增加了一个元素：受保护的资源 R；其次，我们要保护资源 R 就得为它创建一把锁 LR；最后，针对这把锁 LR，我们还需在进出临界区时添上加锁操作和解锁操作。另外，在锁 LR 和受保护资源之间，我特地用一条线做了关联，这个关联关系非常重要。很多并发 Bug 的出现都是因为把它忽略了，然后就出现了类似锁自家门来保护他家资产的事情，这样的 Bug 非常不好诊断，因为潜意识里我们认为已经正确加锁了。

受保护资源和锁之间的关联关系非常重要，他们的关系是怎样的呢？一个合理的关系是：受保护资源和锁之间的关联关系是 N:1 的关系。

互斥锁，在并发领域的知名度极高，只要有了并发问题，大家首先容易想到的就是加锁，因为大家都知道，加锁能够保证执行临界区代码的互斥性。这样理解虽然正确，但是却不能够指导你真正用好互斥锁。临界区的代码是操作受保护资源的路径，类似于球场的入口，入口一定要检票，也就是要加锁，但不是随便一把锁都能有效。所以必须深入分析锁定的对象和受保护资源的关系，综合考虑受保护资源的访问路径，多方面考量才能用好互斥锁。

synchronized 是 Java 在语言层面提供的互斥原语，其实 Java 里面还有很多其他类型的锁，但作为互斥锁，原理都是相通的：锁，一定有一个要锁定的对象，至于这个锁定的对象要保护的资源以及在哪里加锁 / 解锁，就属于设计层面的事情了。

对如何保护多个资源已经很有心得了，关键是要分析多个资源之间的关系。如果资源之间没有关系，很好处理，每个资源一把锁就可以了。如果资源之间有关联关系，就要选择一个粒度更大的锁，这个锁应该能够覆盖所有相关的资源。除此之外，还要梳理出有哪些访问路径，所有的访问路径都要设置合适的锁，这个过程可以类比一下门票管理。

我们再引申一下上面提到的关联关系，关联关系如果用更具体、更专业的语言来描述的话，其实是一种“原子性”特征，我们提到的原子性，主要是面向 CPU 指令的，转账操作的原子性则是属于是面向高级语言的，不过它们本质上是一样的。

“原子性”的本质是什么？其实不是不可分割，不可分割只是外在表现，其本质是多个资源间有一致性的要求，操作的中间状态对外不可见。例如，在 32 位的机器上写 long 型变量有中间状态（只写了 64 位中的 32 位），在银行转账的操作中也有中间状态（账户 A 减少了 100，账户 B 还没来得及发生变化）。所以解决原子性问题，是要保证中间状态对外不可见。

来看一个例子，银行转账的例子：

class Account {
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    synchronized(Account.class) {
      if (this.balance > amt) {
        this.balance -= amt;
        target.balance += amt;
      }
    }
  }
}

这里用 Account.class 作为互斥锁，来解决银行业务里面的转账问题，虽然这个方案不存在并发问题，但是所有账户的转账操作都是串行的，例如账户 A 转账户 B、账户 C 转账户 D 这两个转账操作现实世界里是可以并行的，但是在这个方案里却被串行化了，这样的话，性能太差。

试想互联网支付盛行的当下，8 亿网民每人每天一笔交易，每天就是 8 亿笔交易；每笔交易都对应着一次转账操作，8 亿笔交易就是 8 亿次转账操作，也就是说平均到每秒就是近 1 万次转账操作，若所有的转账操作都串行，性能完全不能接受。

那下面我们就尝试着把性能提升一下。

向现实世界要答案

现实世界里，账户转账操作是支持并发的，而且绝对是真正的并行，银行所有的窗口都可以做转账操作。只要我们能仿照现实世界做转账操作，串行的问题就解决了。

我们试想在古代，没有信息化，账户的存在形式真的就是一个账本，而且每个账户都有一个账本，这些账本都统一存放在文件架上。银行柜员在给我们做转账时，要去文件架上把转出账本和转入账本都拿到手，然后做转账。这个柜员在拿账本的时候可能遇到以下三种情况：

1. 文件架上恰好有转出账本和转入账本，那就同时拿走；

2. 如果文件架上只有转出账本和转入账本之一，那这个柜员就先把文件架上有的账本拿到手，同时等着其他柜员把另外一个账本送回来；

3. 转出账本和转入账本都没有，那这个柜员就等着两个账本都被送回来。

上面这个过程在编程的世界里怎么实现呢？其实用两把锁就实现了，转出账本一把，转入账本另一把。在 transfer() 方法内部，我们首先尝试锁定转出账户 this（先把转出账本拿到手），然后尝试锁定转入账户 target（再把转入账本拿到手），只有当两者都成功时，才执行转账操作。这个逻辑可以图形化为下图这个样子。

两个转账操作并行示意图

而至于详细的代码实现，如下所示。经过这样的优化后，账户 A 转账户 B 和账户 C 转账户 D 这两个转账操作就可以并行了。

class Account {
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    // 锁定转出账户
    synchronized(this) {
      // 锁定转入账户
      synchronized(target) {
        if (this.balance > amt) {
          this.balance -= amt;
          target.balance += amt;
        }
      }
    }
  }
}

没有免费的午餐

上面的实现看上去很完美，并且也算是将锁用得出神入化了。相对于用 Account.class 作为互斥锁，锁定的范围太大，而我们锁定两个账户范围就小多了，这样的锁，叫细粒度锁。使用细粒度锁可以提高并行度，是性能优化的一个重要手段。

这个时候可能你已经开始警觉了，使用细粒度锁这么简单，有这样的好事，是不是也要付出点什么代价啊？编写并发程序就需要这样时时刻刻保持谨慎。

的确，使用细粒度锁是有代价的，这个代价就是可能会导致死锁。

在详细介绍死锁之前，我们先看看现实世界里的一种特殊场景。如果有客户找柜员张三做个转账业务：账户 A 转账户 B 100 元，此时另一个客户找柜员李四也做个转账业务：账户 B 转账户 A 100 元，于是张三和李四同时都去文件架上拿账本，这时候有可能凑巧张三拿到了账本 A，李四拿到了账本 B。张三拿到账本 A 后就等着账本 B（账本 B 已经被李四拿走），而李四拿到账本 B 后就等着账本 A（账本 A 已经被张三拿走），他们要等多久呢？他们会永远等待下去…因为张三不会把账本 A 送回去，李四也不会把账本 B 送回去。我们姑且称为死等吧。

转账业务中的“死等”

现实世界里的死等，就是编程领域的死锁了。死锁的一个比较专业的定义是：一组互相竞争资源的线程因互相等待，导致“永久”阻塞的现象。

上面转账的代码是怎么发生死锁的呢？我们假设线程 T1 执行账户 A 转账户 B 的操作，账户 A.transfer(账户 B)；同时线程 T2 执行账户 B 转账户 A 的操作，账户 B.transfer(账户 A)。当 T1 和 T2 同时执行完①处的代码时，T1 获得了账户 A 的锁（对于 T1，this 是账户 A），而 T2 获得了账户 B 的锁（对于 T2，this 是账户 B）。之后 T1 和 T2 在执行②处的代码时，T1 试图获取账户 B 的锁时，发现账户 B 已经被锁定（被 T2 锁定），所以 T1 开始等待；T2 则试图获取账户 A 的锁时，发现账户 A 已经被锁定（被 T1 锁定），所以 T2 也开始等待。于是 T1 和 T2 会无期限地等待下去，也就是我们所说的死锁了。

class Account {
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    // 锁定转出账户
    synchronized(this){     ①
      // 锁定转入账户
      synchronized(target){ ②
        if (this.balance > amt) {
          this.balance -= amt;
          target.balance += amt;
        }
      }
    }
  }
}

关于这种现象，我们还可以借助资源分配图来可视化锁的占用情况（资源分配图是个有向图，它可以描述资源和线程的状态）。其中，资源用方形节点表示，线程用圆形节点表示；资源中的点指向线程的边表示线程已经获得该资源，线程指向资源的边则表示线程请求资源，但尚未得到。转账发生死锁时的资源分配图就如下图所示，一个“各据山头死等”的尴尬局面。

转账发生死锁时的资源分配图

如何预防死锁

并发程序一旦死锁，一般没有特别好的方法，很多时候我们只能重启应用。因此，解决死锁问题最好的办法还是规避死锁。

那如何避免死锁呢？要避免死锁就需要分析死锁发生的条件，有个叫 Coffman 的牛人早就总结过了，只有以下这四个条件都发生时才会出现死锁：

1. 互斥，共享资源 X 和 Y 只能被一个线程占用；

2. 占有且等待，线程 T1 已经取得共享资源 X，在等待共享资源 Y 的时候，不释放共享资源 X；

3. 不可抢占，其他线程不能强行抢占线程 T1 占有的资源；

4. 循环等待，线程 T1 等待线程 T2 占有的资源，线程 T2 等待线程 T1 占有的资源，就是循环等待。

反过来分析，也就是说只要我们破坏其中一个，就可以成功避免死锁的发生。

其中，互斥这个条件我们没有办法破坏，因为我们用锁为的就是互斥。不过其他三个条件都是有办法破坏掉的，到底如何做呢？

1. 对于“占用且等待”这个条件，我们可以一次性申请所有的资源，这样就不存在等待了。

2. 对于“不可抢占”这个条件，占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源，这样不可抢占这个条件就破坏掉了。

3. 对于“循环等待”这个条件，可以靠按序申请资源来预防。所谓按序申请，是指资源是有线性顺序的，申请的时候可以先申请资源序号小的，再申请资源序号大的，这样线性化后自然就不存在循环了。

我们已经从理论上解决了如何预防死锁，那具体如何体现在代码上呢？下面我们就来尝试用代码实践一下这些理论。

1. 破坏占用且等待条件

从理论上讲，要破坏这个条件，可以一次性申请所有资源。在现实世界里，就拿前面我们提到的转账操作来讲，它需要的资源有两个，一个是转出账户，另一个是转入账户，当这两个账户同时被申请时，我们该怎么解决这个问题呢？

可以增加一个账本管理员，然后只允许账本管理员从文件架上拿账本，也就是说柜员不能直接在文件架上拿账本，必须通过账本管理员才能拿到想要的账本。例如，张三同时申请账本 A 和 B，账本管理员如果发现文件架上只有账本 A，这个时候账本管理员是不会把账本 A 拿下来给张三的，只有账本 A 和 B 都在的时候才会给张三。这样就保证了“一次性申请所有资源”。

通过账本管理员拿账本

对应到编程领域，“同时申请”这个操作是一个临界区，我们也需要一个角色（Java 里面的类）来管理这个临界区，我们就把这个角色定为 Allocator。它有两个重要功能，分别是：同时申请资源 apply() 和同时释放资源 free()。账户 Account 类里面持有一个 Allocator 的单例（必须是单例，只能由一个人来分配资源）。当账户 Account 在执行转账操作的时候，首先向 Allocator 同时申请转出账户和转入账户这两个资源，成功后再锁定这两个资源；当转账操作执行完，释放锁之后，我们需通知 Allocator 同时释放转出账户和转入账户这两个资源。具体的代码实现如下。

class Allocator {
  private List<Object> als =
    new ArrayList<>();
  // 一次性申请所有资源
  synchronized boolean apply(
    Object from, Object to){
    if(als.contains(from) ||
         als.contains(to)){
      return false;
    } else {
      als.add(from);
      als.add(to);
    }
    return true;
  }
  // 归还资源
  synchronized void free(
    Object from, Object to){
    als.remove(from);
    als.remove(to);
  }
}

class Account {
  // actr 应该为单例
  private Allocator actr;
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    // 一次性申请转出账户和转入账户，直到成功
    while(!actr.apply(this, target))
      ；
    try{
      // 锁定转出账户
      synchronized(this){
        // 锁定转入账户
        synchronized(target){
          if (this.balance > amt){
            this.balance -= amt;
            target.balance += amt;
          }
        }
      }
    } finally {
      actr.free(this, target)
    }
  }
}

2. 破坏不可抢占条件

破坏不可抢占条件看上去很简单，核心是要能够主动释放它占有的资源，这一点 synchronized 是做不到的。原因是 synchronized 申请资源的时候，如果申请不到，线程直接进入阻塞状态了，而线程进入阻塞状态，啥都干不了，也释放不了线程已经占有的资源。

你可能会质疑，“Java 作为排行榜第一的语言，这都解决不了？”你的怀疑很有道理，Java 在语言层次确实没有解决这个问题，不过在 SDK 层面还是解决了的，java.util.concurrent 这个包下面提供的 Lock 是可以轻松解决这个问题的。关于这个话题，咱们后面会详细讲。

3. 破坏循环等待条件

破坏这个条件，需要对资源进行排序，然后按序申请资源。这个实现非常简单，我们假设每个账户都有不同的属性 id，这个 id 可以作为排序字段，申请的时候，我们可以按照从小到大的顺序来申请。比如下面代码中，①~⑥处的代码对转出账户（this）和转入账户（target）排序，然后按照序号从小到大的顺序锁定账户。这样就不存在“循环”等待了。

class Account {
  private int id;
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    Account left = this        ①
    Account right = target;    ②
    if (this.id > target.id) { ③
      left = target;           ④
      right = this;            ⑤
    }                          ⑥
    // 锁定序号小的账户
    synchronized(left){
      // 锁定序号大的账户
      synchronized(right){
        if (this.balance > amt){
          this.balance -= amt;
          target.balance += amt;
        }
      }
    }
  }
}

如果在获取多个锁的时候操作耗时非常短，而且并发冲突量也不大时，这个方案还挺不错的，因为这种场景下，循环上几次或者几十次就能一次性获取转出账户和转入账户了。但是如果 apply() 操作耗时长，或者并发冲突量大的时候，循环等待这种方案就不适用了，因为在这种场景下，可能要循环上万次才能获取到锁，太消耗 CPU 了。

其实在这种场景下，最好的方案应该是：如果线程要求的条件（转出账本和转入账本同在文件架上）不满足，则线程阻塞自己，进入等待状态；当线程要求的条件（转出账本和转入账本同在文件架上）满足后，通知等待的线程重新执行。其中，使用线程阻塞的方式就能避免循环等待消耗 CPU 的问题。

那 Java 语言是否支持这种等待 - 通知机制呢？答案是：一定支持（毕竟占据排行榜第一那么久）。下面我们就来看看 Java 语言是如何支持等待 - 通知机制的。

用 synchronized 实现等待 - 通知机制

在 Java 语言里，等待 - 通知机制可以有多种实现方式，比如 Java 语言内置的 synchronized 配合 wait()、notify()、notifyAll() 这三个方法就能轻松实现。

如何用 synchronized 实现互斥锁，你应该已经很熟悉了。在下面这个图里，左边有一个等待队列，同一时刻，只允许一个线程进入 synchronized 保护的临界区（这个临界区可以看作大夫的诊室），当有一个线程进入临界区后，其他线程就只能进入图中左边的等待队列里等待（相当于患者分诊等待）。这个等待队列和互斥锁是一对一的关系，每个互斥锁都有自己独立的等待队列。

wait() 操作工作原理图

在并发程序中，当一个线程进入临界区后，由于某些条件不满足，需要进入等待状态，Java 对象的 wait() 方法就能够满足这种需求。如上图所示，当调用 wait() 方法后，当前线程就会被阻塞，并且进入到右边的等待队列中，这个等待队列也是互斥锁的等待队列。 线程在进入等待队列的同时，会释放持有的互斥锁，线程释放锁后，其他线程就有机会获得锁，并进入临界区了。

notify() 是会随机地通知等待队列中的一个线程，而 notifyAll() 会通知等待队列中的所有线程。从感觉上来讲，应该是 notify() 更好一些，因为即便通知所有线程，也只有一个线程能够进入临界区。但那所谓的感觉往往都蕴藏着风险，实际上使用 notify() 也很有风险，它的风险在于可能导致某些线程永远不会被通知到。

具体参考下面的代码：

class Allocator {
  private List<Object> als;
  // 一次性申请所有资源
  synchronized void apply(
    Object from, Object to){
    // 经典写法
    while(als.contains(from) ||
         als.contains(to)){
      try{
        wait();
      }catch(Exception e){
      }
    }
    als.add(from);
    als.add(to);
  }
  // 归还资源
  synchronized void free(
    Object from, Object to){
    als.remove(from);
    als.remove(to);
    notifyAll();
  }
}

在上面的代码中，我用的是 notifyAll() 来实现通知机制，为什么不使用 notify() 呢？这二者是有区别的，notify() 是会随机地通知等待队列中的一个线程，而 notifyAll() 会通知等待队列中的所有线程。从感觉上来讲，应该是 notify() 更好一些，因为即便通知所有线程，也只有一个线程能够进入临界区。但那所谓的感觉往往都蕴藏着风险，实际上使用 notify() 也很有风险，它的风险在于可能导致某些线程永远不会被通知到。

假设我们有资源 A、B、C、D，线程 1 申请到了 AB，线程 2 申请到了 CD，此时线程 3 申请 AB，会进入等待队列（AB 分配给线程 1，线程 3 要求的条件不满足），线程 4 申请 CD 也会进入等待队列。我们再假设之后线程 1 归还了资源 AB，如果使用 notify() 来通知等待队列中的线程，有可能被通知的是线程 4，但线程 4 申请的是 CD，所以此时线程 4 还是会继续等待，而真正该唤醒的线程 3 就再也没有机会被唤醒了。

所以除非经过深思熟虑，否则尽量使用 notifyAll()。

总结

当我们在编程世界里遇到问题时，应不局限于当下，可以换个思路，向现实世界要答案，利用现实世界的模型来构思解决方案，这样往往能够让我们的方案更容易理解，也更能够看清楚问题的本质。

但是现实世界的模型有些细节往往会被我们忽视。因为在现实世界里，人太智能了，以致有些细节实在是显得太不重要了。在转账的模型中，我们为什么会忽视死锁问题呢？原因主要是在现实世界，我们会交流，并且会很智能地交流。而编程世界里，两个线程是不会智能地交流的。所以在利用现实模型建模的时候，我们还要仔细对比现实世界和编程世界里的各角色之间的差异。

我们今天这一篇文章主要讲了用细粒度锁来锁定多个资源时，要注意死锁的问题。这个就需要你能把它强化为一个思维定势，遇到这种场景，马上想到可能存在死锁问题。当你知道风险之后，才有机会谈如何预防和避免，因此，识别出风险很重要。

预防死锁主要是破坏三个条件中的一个，有了这个思路后，实现就简单了。但仍需注意的是，有时候预防死锁成本也是很高的。例如上面转账那个例子，我们破坏占用且等待条件的成本就比破坏循环等待条件的成本高，破坏占用且等待条件，我们也是锁了所有的账户，而且还是用了死循环 while(!actr.apply(this, target));方法，不过好在 apply() 这个方法基本不耗时。 在转账这个例子中，破坏循环等待条件就是成本最低的一个方案。

所以我们在选择具体方案的时候，还需要评估一下操作成本，从中选择一个成本最低的方案。

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