Java多线程(4)---死锁和Synchronized加锁流程

目录

前言

一.synchronized

1.1概念 

1.2Synchronized是什么锁？

1.3Synchronized加锁工作过程

1.4其他优化操作

二.死锁

2.1什么是死锁

2.2死锁的几个经典场景

2.3死锁产生的条件

2.4如何解决死锁

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本文由 tq02 原创，首发于 CSDN
 本章讲解内容：多线程的策略锁、CAS和JUC

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前言

        在多线程的讲解当中，我们可以知道synchronized是加锁操作，让两个线程发生互斥效果，在代码中使用synchronized关键字来实现锁的获取和释放。如果是刚刚接触多线程的人，我希望你可以从第一章多线程开始学习：http://t.csdn.cn/0vEhY

一.synchronized

1.1概念 

        Synchronized是Java中内置的锁机制，用于实现线程同步。它可以通过在代码中使用synchronized关键字来实现锁的获取和释放。Synchronized关键字可以用在方法上或者代码块中。当一个线程执行到synchronized修饰的代码块时，它会尝试获取锁，如果锁没有被其他线程占用，则获取成功，执行代码块中的内容。如果锁已经被其他线程占用，则该线程会进入等待状态，直到获取到锁才能继续执行。

1.2Synchronized是什么锁？

1. 开始时是乐观锁, 如果锁冲突频繁, 就转换为悲观锁.
2. 开始是轻量级锁实现, 如果锁被持有的时间较长, 就转换成重量级锁.
3. 实现轻量级锁的时候大概率用到的自旋锁策略
4. 是一种不公平锁
5. 是一种可重入锁
6. 不是读写锁
    

注：需要使用公平锁，建议使用ReentrantLock来实现。ReentrantLock提供了公平锁和非公平锁两种模式，通过构造函数的参数来指定锁的模式。

1.3Synchronized加锁工作过程

        对于锁资源只有一个或者两个线程交替竞争的，仍然需要使用系统调用，无疑对CPU资源是极大的消耗。因此，在jdk1.6针对Synchronized加锁进行了优化。按对锁的竞争程度划分成：无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁。简单而言就是从无锁-->重量级锁。 

无锁

当你添加了锁时，如果编译器认为不需要加锁，会自动删除，因此便是无锁

偏向锁

偏向锁不是真的 "加锁", 只是给对象头中做一个 "偏向锁的标记", 记录这个锁属于哪个线程.
如果后续没有其他线程来竞争该锁, 那么就不用进行其他同步操作了(避免了加锁解锁的开销)
如果后续有其他线程来竞争该锁(刚才已经在锁对象中记录了当前锁属于哪个线程了, 很容易识别当前申请锁的线程是不是之前记录的线程), 那就取消原来的偏向锁状态, 进入一般的轻量级锁状态.
注：相当于做个标记，相当于 "延迟加锁" . 能不加锁就不加锁, 尽量避免不必要的加锁开销.

轻量级锁
随着其他线程进入竞争, 偏向锁状态被消除, 进入轻量级锁状态(自适应的自旋锁).
此处的轻量级锁就是通过 CAS 来实现

1. 通过 CAS 检查并更新一块内存 (比如 null => 该线程引用)
2. 如果更新成功, 则认为加锁成功
3. 如果更新失败, 则认为锁被占用, 继续自旋式的等待(并不放弃 CPU).

注：此处的自旋锁不会一种持续进行，而是达到一定的时间/重试次数, 就不再自旋了.

重量级锁
        如果锁竞争进一步激烈, 自旋不能快速获取到锁状态, 就会膨胀为重量级锁

此处的重量级锁就是指用到内核提供的 mutex .
具体流程：

• 执行加锁操作, 先进入内核态.
• 在内核态判定当前锁是否已经被占用
• 如果该锁没有占用, 则加锁成功, 并切换回用户态.
• 如果该锁被占用, 则加锁失败. 此时线程进入锁的等待队列, 挂起. 等待被操作系统唤醒.
• 经历了一系列的沧海桑田, 这个锁被其他线程释放了, 操作系统也想起了这个挂起的线程, 于是唤醒
• 这个线程, 尝试重新获取锁

1.4其他优化操作

        我们额外补充2个编译器对锁的优化操作。锁消除和锁粗化

锁消除

        代码中, 用到了 synchronized, 但其实没有在多线程环境下. (例如 StringBuffer)

StringBuffer tq02 = new StringBuffer();
tq02.append("a");
tq02.append("b");
tq02.append("c");
tq02.append("d");

每个 append 的调用都会涉及加锁和解锁. 但如果只是在单线程中执行这个代码, 那么这些加
锁解锁操作是没有必要的, 白白浪费了一些资源开销.因此将锁给优化了。

锁粗化

锁的粗化是根据锁的粒度：粗和细

 实际开发过程中, 使用细粒度锁, 是期望释放锁的时候其他线程能使用锁.但可能并没有其他线程来抢占这个锁. 这种情况 JVM 就会自动把锁粗化, 避免频繁申请释放锁.
 

二.死锁

2.1什么是死锁

        死锁是指在多进程系统中，每个进程都在等待某个资源，而该资源又被其他进程占用，导致所有进程都无法继续执行的状态。

例如：A、B、C、D和E去上厕所，A进入厕所并且锁门，B.C.D等待，可是A刚刚进入厕所，因为特殊的原因，凭空转移到了外面，A就得重新排队，可是门还是锁着的啊，因此导致了死锁。

2.2死锁的几个经典场景

经典场景有：

1. 一个线程，一把锁
2. 两个线程，两把锁
3. 多个线程，多把锁

1.一个线程，一把锁

        一个线程连续被同一个加锁两次，如果是不可重入锁，那么会是死锁。

解析：我去上厕所，我把厕所门锁住，再通过厕所的窗户出去，然后再来上厕所，发现厕所锁住了，就耐心等待，却没想过这是自己锁的。

代码实现：

public class Counter {
        
   void increase() {       
     synchronize(this){
       increase()   //可以理解为翻窗逃走，第二次加锁时，是锁了的
    }
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    final Counter counter = new Counter();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
                counter.increase();
        });
            t1.start();
    }
}

2.两个线程，两把锁

        线程1先获取锁A，再尝试获取锁B，同时，线程2先获取锁B，再尝试获取锁A，此时两个线程就会互相僵住，谁都获取不到对方持有的锁。

解析：我在汽车里，车钥匙在我妻子手上，我出不来，我妻子在房间里，房间钥匙在我手上，我妻子也出不来，导致双方被锁，导致死锁。

代码示例：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        //2个锁对象
        Object lockerA = new Object();
        Object lockerB = new Object();
 
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            System.out.println("t1尝试获取锁A");
            synchronized (lockerA){
                System.out.println("t1获取到锁A");
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("t1尝试获取锁B");
                synchronized (lockerB){
                    System.out.println("t1获取到锁B");
                }
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            System.out.println("t2尝试获取锁B");
            synchronized (lockerB){
                System.out.println("t2获取到锁B");
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("t2尝试获取锁A");
                synchronized (lockerA){
                    System.out.println("t2获取到锁A");
                }
            }
        });
 
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

3.多个线程，多把锁

        很明显啊，两把锁，两个线程也有问题，更何况是多把锁啊，在这方面最经典的是"哲学家就餐问题"。

如图：火柴人是哲学家、红线是筷子，每一个哲学家的左右都有一根筷子。规定，当有一根哲学家饿了，会先拿起左边的筷子，然后再拿右边的筷子，吃完了就放下筷子。

造成死锁问题：每一个哲学家都饿了，然后都拿起了左边的筷子，可是当拿右边的筷子时，发现有其他人在使用，所以导致阻塞，然后一直等待别人吃饱放下筷子，可是每个人都在等待。

2.3死锁产生的条件

死锁产生需要四个条件：

1. 互斥使用，即当资源被一个线程使用(占有)时，别的线程不能使用
2. 不可抢占，资源请求者不能强制从资源占有者手中夺取资源，资源只能由资源占有者主动释放。
3. 请求和保持，即当资源请求者在请求其他的资源的同时保持对原有资源的占有。
4. 循环等待，即存在一个等待队列：P1占有P2的资源，P2占有P3的资源，P3占有P1的资源。这样就形成了一个等待环路。

当上述四个条件都成立的时候，便形成死锁。当然，死锁的情况下如果打破上述任何一个条件，便可让死锁消失。
 

2.4如何解决死锁

        想没有死锁，那么我们可以从死锁产生的条件入手，只有破坏其他一条就可以了。 互斥使用和不可抢占是锁的基本特性，因此无法干预，但是请求和保持，也不可能改变，因为这是代码执行逻辑。因此只有循环等待，我们可以打破

        为了解决死锁问题，可以采取预防、避免、检测和解除四种方法。

预防：通过设置某些限制条件，以防止死锁的发生。

避免：系统在分配资源时根据资源的使用情况提前作出预测，从而避免死锁的发生。

检测：允许系统在运行过程中产生死锁，但系统中有相应的管理模块可以及时检测出已经产生的死锁，并精确地确定与死锁有关的进程和资源，然后采取适当措施清除系统中已经产生的死锁。

解除：当发现有进程死锁后，立即解脱它从死锁状态中出来。常用的方法包括剥夺资源和撤销进程。剥夺资源是从其他进程中剥夺足够数量的资源给死锁进程，以解除死锁状态。撤销进程可以直接撤销死锁进程或撤销代价最小的进程，直至有足够的资源可用，从而消除死锁状态。

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