面试官：请手写一段必然死锁的代码
前言
死锁（Deadlock），是并发编程中最需要考虑的问题之一，一般来说死锁发生的概率相对较小，但是危害奇大。本篇主要讲解死锁相关的内容，包括死锁形成的必要条件、危害、如何避免等等。
死锁的定义
死锁（英语：Deadlock），又译为死结，计算机科学名词。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，就称为死锁。在多任务操作系统中，操作系统为了协调不同行程，能否获取系统资源时，为了让系统运作，必须要解决这个问题。
具体到线程死锁，也就是多个（大于等于2个）线程相互持有对方需要的资源，在没有外界干扰的情况下，会永远处于等待状态。
必然死锁的例子
先来看一个必然发生死锁的例子，来直观的感受一下死锁：
/**
* 必然死锁的例子
* @author sicimike
*/
public class DeadLock {
final private static Object lock1 = new Object();
final private static Object lock2 = new Object();
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
synchronized (lock1) {
// 先获取lock1
System.out.println("thread-1 get lock1");
try {
// 休眠200毫秒，让thread-2获取lock2
Thread.sleep(200);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (lock2) {
// 在lock1同步代码中获取lock2
System.out.println("thread-1 get lock2");
}
}
System.out.println("thread-1 finished");
}, "thread-1");
Thread thread2 = new Thread(() -> {
synchronized (lock2) {
// 先获取lock2
System.out.println("thread-2 get lock2");
synchronized (lock1) {
// 在lock2同步代码中获取lock1
System.out.println("thread-2 get lock1");
}
}
System.out.println("thread-2 finished");
}, "thread-2");
thread1.start();
thread2.start();
}
}
执行结果：
thread-1 get lock1
thread-2 get lock2
例子共有6行输出，但是只输出了2行。不仅如此，用IDE运行该代码时，IDE永远不会执行结束。
对于本次运行结果，thread-1首先获取CPU时间片，开始执行，获取锁lock1，输出thread-1 get lock1，然后休眠200毫秒。在200毫秒内thread-2获取CPU时间片，开始执行，获取lock2，输出thread-2 get lock2。
此时tread-1必须获取lock2才能继续执行，执行完成才能释放自己持有的lock1。而thread-2同理，想要继续执行，必须先获取thread-1持有的lock1，执行完成才能释放lock2。就这样，两个线程发生了死锁。导致后续的代码都不会执行，之后的语句并不会输出。
死锁的危害
- 首先肯定是程序得不到正确的结果，因为处于死锁状态的线程无法处理原先分配的任务。
- 死锁会降低资源利用率，处于死锁状态的线程所持有的资源是不会释放的，更不能被别的线程利用，所以会导致资源的利用率降低
- 可能导致新的死锁产生，死锁的线程持有的资源，可能是系统非常宝贵且有限的资源，其他线程获取不到，依然可能会被死锁，产生多米诺骨牌效应
死锁产生的必要条件
死锁的危害非常巨大，是并发编程必须要考虑的问题。不过好在死锁的产生条件比较严苛，需要同时满足四个必要条件：
- 互斥条件：一个资源同时最多能被一个线程持有
- 请求与保持条件：一个线程因请求其他资源而被阻塞时，不会释放已持有的资源
- 不剥夺条件：线程执行完成之前，其他的线程不能抢占该线程持有的资源
- 循环等待条件：多个线程请求的资源形成一个等待环
只要其中一个不满足就不可能发生死锁。
再回过头来看看上文的实例是不是满足这四个条件，thread-1和thread-2所需的资源是lock1和lock2，都是互斥锁，满足互斥条件；thread-1和thread-2被阻塞后不会释放持有的锁，满足请求与保持条件；thread-1和thread-2都不能直接抢占对方持有的锁，满足不剥夺条件；thread-1需要thread-2持有的lock2，而thread-2需要thread-1持有的lock1，满足循环等待条件。
因为只有2个线程，所以循环等待条件不是很明显，可以把实例改成三个线程
/**
* 三个线程-必然死锁的例子
* @author sicimike
*/
public class ThreeThreadDeadLock {
final private static Object lock1 = new Object();
final private static Object lock2 = new Object();
final private static Object lock3 = new Object();
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
synchronized (lock1) {
// 先获取lock1
System.out.println("thread-1 get lock1");
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (lock2) {
// 在lock1中获取lock2
System.out.println("thread-1 get lock2");
}
}
System.out.println("thread-1 finished");
}, "thread-1");
Thread thread2 = new Thread(() -> {
synchronized (lock2) {
// 先获取lock2
System.out.println("thread-2 get lock2");
try {
Thread.sleep(300);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (lock3) {
// 在lock2中获取lock3
System.out.println("thread-2 get lock3");
}
}
System.out.println("thread-2 finished");
}, "thread-2");
Thread thread3 = new Thread(() -> {
synchronized (lock3) {
// 先获取lock3
System.out.println("thread-3 get lock3");
try {
Thread.sleep(200);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (lock1) {
// 在lock3中获取lock1
System.out.println("thread-3 get lock1");
}
}
System.out.println("thread-3 finished");
}, "thread-3");
thread1.start();
thread2.start();
thread3.start();
}
}
执行结果
thread-1 get lock1
thread-2 get lock2
thread-3 get lock3
同样，程序也不会结束。
thread-1获取lock1后还需要获取lock2，thread-2获取lock2后还需要lock3，thread-3获取lock3后还需要获取lock1，这样就是循环等待条件，三个线程所需要的资源形成了一个环。
定位死锁
主要讲解三种方式来定位死锁：jstack命令、jconsole工具、ThreadMXBean类，以上面两个线程死锁的实例演示。
-
jstack命令
先查看系统进程，jps(Java Virtual Machine Process Status Tool)是JDK提供的一个显示当前所有java进程pid的命令，位于...\jdk1.8.0_101\bin目录C:\Users\Atao>jps 2272 10180 Jps 13956 RemoteMavenServer36 11032 Launcher 8488 DeadLock可以很清楚的看到运行DeadLock.java类的进程pid（8488），再运行jstack命令，jstack是JDK提供的线程堆栈分析工具，使用该命令可以查看Java程序线程堆栈信息，位于
...\jdk1.8.0_101\bin目录C:\Users\Atao>jstack -F 8488 Attaching to process ID 8488, please wait... Debugger attached successfully. Server compiler detected. JVM version is 25.101-b13 Deadlock Detection: Found one Java-level deadlock: ============================= "thread-1": waiting to lock Monitor@0x00000000173a0628 (Object@0x00000000d64dc960, a java/lang/Object), which is held by "thread-2" "thread-2": waiting to lock Monitor@0x000000001739f188 (Object@0x00000000d64dc950, a java/lang/Object), which is held by "thread-1" Found a total of 1 deadlock. Thread 1: (state = BLOCKED) ......很清楚的就能看到哪几个线程发生了死锁（现在应该知道为什么要给每个线程取一个有意义的名字了）
-
jconsole工具，位于
...\jdk1.8.0_101\bin目录
启动jconsole
检测死锁
查看检测结果
-
ThreadMXBean类
ThreadMXBean是JDK自带的类，位于java.lang.management包中。是Java虚拟机线程的系统管理接口。以上文举出的必然死锁的例子为例：public class DeadLock { final private static Object lock1 = new Object(); final private static Object lock2 = new Object(); public static void main(String[] args) { Thread thread1 = new Thread(() -> { synchronized (lock1) { // 先获取lock1 System.out.println("thread-1 get lock1"); try { // 休眠200毫秒，让thread-2获取lock2 Thread.sleep(200); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } synchronized (lock2) { // 在lock1同步代码中获取lock2 System.out.println("thread-1 get lock2"); } } System.out.println("thread-1 finished"); }, "thread-1"); Thread thread2 = new Thread(() -> { synchronized (lock2) { // 先获取lock2 System.out.println("thread-2 get lock2"); synchronized (lock1) { // 在lock2同步代码中获取lock1 System.out.println("thread-2 get lock1"); } } System.out.println("thread-2 finished"); }, "thread-2"); // 检测死锁的线程 Thread monitorThread = new Thread(() -> { while (true) { try { // 每隔2秒检测一次 Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("死锁线程信息："); ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean(); long[] deadlockedThreads = threadMXBean.findDeadlockedThreads(); for (long thread : deadlockedThreads) { System.out.println(threadMXBean.getThreadInfo(thread)); } } }, "monitor-thread"); thread1.start(); thread2.start(); monitorThread.start(); } }执行结果：
thread-1 get lock1 thread-2 get lock2 死锁线程信息： "thread-2" Id=12 BLOCKED on java.lang.Object@793190d2 owned by "thread-1" Id=11 "thread-1" Id=11 BLOCKED on java.lang.Object@77f67184 owned by "thread-2" Id=12 死锁线程信息： "thread-2" Id=12 BLOCKED on java.lang.Object@793190d2 owned by "thread-1" Id=11 "thread-1" Id=11 BLOCKED on java.lang.Object@77f67184 owned by "thread-2" Id=12 ......
死锁的处理
既然知道了死锁产生的四个必要条件，所以只需要破坏其中一个或者多个即可。
- 对于互斥条件，想要破坏它，就是能加共享锁的就不要加独占锁
- 对于请求与保持条件，可以设置超时时间，阻塞一段时间后，如果还未获取到锁，就释放自己持有的锁；或者死锁发生时，调度者强行中断某个死锁的状态，并释放持有的资源
- 对于不剥夺条件，请求资源（锁）时，使用可以响应中断的锁，例如
Lock.lockInterruptibly() - 对于循环等待条件，这个条件相对来说是最好破坏的。只需要打破等待环即可。线程请求多把锁的时候，做到按顺序请求锁（每个线程），这样就不会形成等待环。
可以动手改造下上文中三个线程死锁的例子，使三个线程均按照lock1->lock2->lock3的顺序请求锁。
最佳实践
死锁的处理策略总的来说有三种方式：
- 避免策略
- 检测与修复
- 不处理（鸵鸟策略）
对于生产环境而言，死锁的防大于治，也就是说应该将重点放在死锁的避免上。在实际工作中养成良好的习惯，可以大大减少死锁发生的概率，好的习惯总结如下：
- 争抢锁时设置超时，比如Lock的tryLock(long, unit)方法
- 多使用并发工具类，而不是自己设计锁
- 尽量降低锁的粒度
- 如果能使用同步代码块，就不使用同步方法：锁的粒度更小；还可以自己指定锁对象
- 给线程起有意义的名字：方便debug、日志记录
- 避免锁的嵌套
- 尽量不要多个功能用同一把锁：专锁专用
- 分配资源前先看能不能收回来：银行家算法
总结
死锁像火灾一样：不可预测、蔓延迅速、危害大。编写并发程序的时候，一定要特别关注。
扩展阅读
- https://zh.wikipedia.org/zh-hans/银行家算法
- https://zh.wikipedia.org/wiki/哲学家就餐问题