C++(Qt)软件调试---线程死锁调试（15）

C++(Qt)软件调试—线程死锁调试（15）

1、前言

死锁是一种情况，其中两个或多个线程（或进程）相互等待对方释放资源，导致它们都无法继续执行。这是一种非常令人头疼的问题，因为它可以导致程序挂起，无法继续运行。

本文中会详细讲述linux、Windows下调试C++线程死锁、Qt线程死锁的方式。

• 系统环境：ubuntu20.04、Windows10；
• 编译器：g++10、MinGW、MSVC2017-64；
• 调试工具：gdb、WinDbg。
• 所有程序编译时最好加上调试信息，如果是使用Qt，则使用Debug或者Profile模式。
• 文中用到的方法也适用于调试死循环，不过细节上有一点点区别。

2、常见死锁

单线程死锁：
有时候，线程申请了锁资源，还没有等待释放，又一次申请这把锁，结果就是挂起等待这把锁的释放，但是这把锁是被自己拿着，所以就会永远挂起等待，就造成了死锁。导致重复加锁的原因可能如下：

• 通常会因为在多分支中加锁，而某个分支忘记了加锁或者因为return、break等语句跳过了锁的释放；
• 因为程序中自己使用throw抛出异常或者底层库抛出异常，打乱了程序的执行流程，导致锁没有释放。

例如，考虑以下伪代码：

void threadFun1()
{
    g_mutex1.lock();        // 加锁
    
    g_mutex1.lock();        // 重复加锁

    g_mutex1.unlock();
}

void threadFun1()
{
    g_mutex1.lock();        // 加锁
    
    if(value > 10) 
    {
        return;           // 提前返回，跳过释放
    }

    g_mutex1.unlock();
}

void threadFun1()
{
    g_mutex1.lock();        // 加锁
    
    if(value > 10) 
    {
        throw;             // 抛出异常，打乱执行流程，跳过释放
    }

    g_mutex1.unlock();
}

多线程死锁：
多线程死锁是更常见的情况，通常在多个线程之间共享资源时发生，也比单线程死锁更难排查。

多线程死锁是指两个或多个线程在等待对方释放资源时被阻塞，无法继续执行。

例如：线程1锁定了lock1并尝试获取lock2，而线程2锁定了lock2并尝试获取lock1，它们彼此等待对方释放资源，从而导致死锁。

/********************************************************************************
* 文件名：   main1.cpp
* 创建时间： 2023-10-25 10:57:54
* 开发者：   MHF
* 邮箱：     [email protected]
* 功能：     多线程死锁示例
*********************************************************************************/
#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;
mutex mutex1;
mutex mutex2;

void threadA()
{
    cout << "启动线程A" << endl;

    mutex1.lock();
    cout << "线程A上锁mutex1" << endl;

    // 为了模拟死锁，让线程A休眠一段时间
    sleep(1);

    mutex2.lock();                        // 由于线程B已经上锁mutex2，这里会等待线程B解锁
    cout << "线程A上锁mutex2" << endl;

    // 执行一些操作...

    mutex2.unlock();
    mutex1.unlock();
}

void threadB()
{
    cout << "启动线程B" << endl;

    mutex2.lock();
    cout << "线程B上锁 mutex2" << endl;

    // 为了模拟死锁，让线程B休眠一段时间
    sleep(1);

    mutex1.lock();                      // 由于线程A已经上锁mutex1，这里会等待线程A解锁
    cout << "线程B上锁 mutex1" << endl;

    // 执行一些操作...

    mutex1.unlock();
    mutex2.unlock();
}

int main()
{
    thread t1(threadA);
    thread t2(threadB);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

3、linux下gdb调试C++死锁

1.1 使用代码

	/********************************************************************************
* 文件名：   main.cpp
* 创建时间： 2023-10-24 21:40:05
* 开发者：   MHF
* 邮箱：     [email protected]
* 功能：     单线程死锁示例
*********************************************************************************/
#include
#include 
#include 

using namespace std;

mutex g_mutex1;

void threadFun1()
{
    cout << 1 << endl;
    g_mutex1.lock();        // 加锁
    cout << 2 << endl;
    g_mutex1.lock();        // 重复加锁
    cout << 3 << endl;
}


int main()
{
    thread t1(threadFun1);

    t1.join();
    return 0;
}

1.2 gdb调试

1. 使用g++ -g main.cpp -lpthread命令编译代码；

2. 使用./a.out运行程序，会发现程序出现死锁，不会继续执行；

   

3. 重新打开一个终端窗口；

4. 使用ps -aux | grep "a.out\|USER"命令查看a.out程序的进程信息（注意：\| 前后不能有空格）；

   • grep “a.out \| USER”：表示只显示包含a.out字符串或者USER字符串的行；

   

5. 使用sudo gdb -q -p 14742将gdb附加到a.out的进程PID上（注意附加到进程需要使用sudo）；

6. 进入gdb后使用info threads命令查看所有线程的信息；

   

7. 从图中可以看出在线程2的堆栈停止在了**__lll_lock_wait**帧，在这个位置使用了g_mutex1锁，__lll_lock_wait函数是Linux系统中用于实现线程互斥锁等待的函数，它使线程进入等待状态，直到互斥锁可用。

8. 使用thread 2命令进入到线程2中；

9. 使用bt命令查看线程2当前的堆栈信息（也可以使用thread apply all bt命令查看所有线程的堆栈）；

   

10. 可以堆栈停止在main.cpp文件的第21行，threadFun1()函数中；

11. 使用f 4命令切换到线程2堆栈的第4帧，可以看见是停止在g_mutex1.lock()这一行加锁的代码上；

12. 使用list命令查看上下文代码，可以看见加锁了两次；

13. 使用p g_mutex1命令打印锁的信息可以看见__lock = 2也是加锁了两次。

    

3、linux下gdb调试Qt死锁

1.1 使用代码

#include "widget.h"
#include "ui_widget.h"
#include 
#include 

QMutex g_mutex;

Widget::Widget(QWidget *parent)
    : QWidget(parent)
    , ui(new Ui::Widget)
{
    ui->setupUi(this);
}

Widget::~Widget()
{
    delete ui;
}


void Widget::on_pushButton_clicked()
{
    // 创建一个QtConcurrent线程
    QtConcurrent::run(QThreadPool::globalInstance(), [&]()
    {
        qDebug() << "进入QtConcurrent线程";
        g_mutex.lock();
        qDebug() << "加锁1次";
        g_mutex.lock();
        qDebug() << "加锁2次，重复加锁";

        g_mutex.unlock();
    });
}

1.2 gdb调试

1. 编译运行Qt程序后，点击pushButton按键，进入QtConcurrent线程，触发死锁；

2. 使用ps -aux | grep 'testMutex\|USER'命令查看死锁进程pid；

3. 使用sudo gdb -q -p 21714命令将gdb附加到进程；

4. 使用info threads命令查看所有线程的信息；

5. 如下图所示，可看出线程7的类型为Thread（pooled）（如果是使用QThread创建的线程这里类型就是QThread），这是使用线程池创建的QtConcurren线程，停止的堆栈帧的状态为syscall()；程序停在syscall()函数通常意味着它正在进行系统调用，而如果出现死锁后线程就会一直处于这种状态；

   

6. 使用thread 7命令切换到线程7；

7. 使用bt命令查看线程7堆栈信息；

8. 如下图所示，利用看出QBasicMutex::lockInternal()或者QMutex::lock()，表示线程7堆栈停止在互斥锁的lock()函数位置，如何找到包含自己源代码的堆栈帧，在widget.cpp文件的29行。

   

9. 使用f 3命令切换到堆栈的第3帧，可以看的这一帧停止在g_mutex.lock()位置，正在加锁位置；

10. 使用list命令查看上下文代码，可以看出加锁两次；

11. 使用p g_mutex命令打印g_mutex锁的信息，和c++中的mutex锁不同，QMutex锁打印无法获得有帮助的信息。

    

4、Windows下gdb调试C++死锁

使用代码和linux下一样。

1. 打开MinGW-64的cmd窗口（从这里打开具有完整的环境变量，便于找到依赖库）；

2. 进入到源代码所在路径；

3. 使用g++.exe main.cpp -g -lpthread命令编译代码（如果提升找不到g++则使用MinGw所在绝对路径）；

4. 执行a.exe程序，触发死锁；

5. 打开任务管理器，找到a.exe程序，右键选择【转到详细信息】，查看进程的pid号，

6. 再打开一个cmd窗口；

7. 使用gdb -q -p 8740将gdb附加到进程调试；

8. 使用info threads命令查看所有线程信息（和linux下不同，不能直接看出死锁线程）；

9. 使用thread apply all bt查看所有线程的堆栈信息；

10. 如下图所示可以看出在线程2中出现了pthread_mutex_lock()，表示这个线程的堆栈停止在上锁位置，所以出现死锁，再往下找发现死锁位置出现在main.cpp文件的第21行中，threadFun1()函数位置。

    

11. 后面操作就可有可无了，并且和linux下没有什么区别；

5、Windows下gdb调试Qt死锁

使用代码和linux下的相同；

注意：Windows下使用MinGW编译程序，调试时选择的gdb版本应该和编译的g++版本相同，不能使用32位的gdb调试64位的程序，或者相反。

1. Qt编译运行程序后，触发死锁；

2. 打开对应版本的MinGW的cmd终端；

3. 使用任务管理器窗口死锁程序的pid进程号；

4. 使用gdb -q -p pid将gdb附加到死锁进程；

5. 直接使用thread apply all bt显示所有线程的堆栈信息；

   

6. 可以看出线程3出现死锁，后续操作都是一样的。

7. 不过MinGW中gdb调试有时会出现下列情况，无法进行调试，目前没找到问题；

   

6、Windows下Windbg调试C++死锁

1.1 使用代码

• 直接使用C++中的mutex锁重复上锁在msvc编译器中会在触发时抛出异常，所以无需调试。
• 这里改为使用多线程死锁进行演示。

/********************************************************************************
* 文件名：   main.cpp
* 创建时间： 2023-10-25 10:57:54
* 开发者：   MHF
* 邮箱：     [email protected]
* 功能：     多线程死锁示例
*********************************************************************************/
#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;
mutex mutex1;
mutex mutex2;

void threadA()
{
    cout << "start A" << endl;

    mutex1.lock();
    cout << "threadA mutex1 lock" << endl;

    // 为了模拟死锁，让线程A休眠一段时间
    Sleep(1000);

    mutex2.lock();                        // 由于线程B已经上锁mutex2，这里会等待线程B解锁
    cout << "threadA mutex2 lock" << endl;

    // 执行一些操作...

    mutex2.unlock();
    mutex1.unlock();
}

void threadB()
{
    cout << "start B" << endl;

    mutex2.lock();
    cout << "threadB mutex2 lock" << endl;

    // 为了模拟死锁，让线程B休眠一段时间
    Sleep(1000);

    mutex1.lock();                      // 由于线程A已经上锁mutex1，这里会等待线程A解锁
    cout << "threadB mutex1 lock" << endl;

    // 执行一些操作...

    mutex1.unlock();
    mutex2.unlock();
}

int main()
{
    thread t1(threadA);
    thread t2(threadB);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

1.2 Windbg调试

1. 使用MSVC编译器编译代码，运行并触发死锁；

2. 打开WinDbg程序，（在C:\Program Files\Windows Kits\10\Debuggers\x64路径下）；

3. 选择【File】->【Attach to Process】或者直接按快捷键F6；

   

4. 然后选择By ID，找到死锁进程，然后点击【OK】；

   

5. 然后输入~*k命令查看所有线程的堆栈信息，如下所示出现std::_Mutex_base::lock字样，可看出在线程1、2出现死锁；

6. 然后选择【View】，打开【Processes and Threads】窗口和【Calls Stack】窗口；

7. 点击【Processes and Threads】窗口中的线程1，再点击【Calls Stack】窗口中的堆栈帧，就可以跳转到出现死锁的源码位置；

8. 或者直接点击Command窗口中的堆栈帧也可以跳转到死锁源码位置（不过在WinDbg中定位到源码的位置是实际位置的下一行）。

7、Windows下Windbg调试Qt死锁

使用代码和Linux下的相同；

1. 前面步骤都是相同的；

2. 在使用~*k命令窗口所有线程的堆栈信息时会发现看不到太多有帮助的信息，这时可用找包含源码文件的堆栈帧；

3. 如图所示，点击这一帧就可以跳转到源码查看是否时出现死锁的位置；

4. 如果想要查看更加详细的调试信息，需要到Qt官网下载Qt库的调试符号。

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