Java并发编程文章系列

Java并发编程实战 01并发编程的Bug源头
 Java并发编程实战 02Java如何解决可见性和有序性问题
 Java并发编程实战 03互斥锁解决原子性问题

前提

在第三篇文章最后的例子当中，需要获取到两个账户的锁后进行转账操作，这种情况有可能会发生死锁，我把上一章的代码片段放到下面：

public class Account {
    // 余额
    private Long money;
    public synchronized void transfer(Account target, Long money) {
        synchronized(this) {           (1)
            synchronized (target) {    (2)
                this.money -= money;
                if (this.money < 0) {
                    // throw exception
                }
                target.money += money;
            }
        }
    }
}

若账户A转账给账户B100元，账户B同时也转账给账户A100元，当账户A转帐的线程A执行到了代码(1)处时，获取到了账户A对象的锁，同时账户B转账的线程B也执行到了代码(1)处时，获取到了账户B对象的锁。当线程A和线程B执行到了代码(2)处时，他们都在互相等待对方释放锁来获取，可是synchronized是阻塞锁，没有执行完代码块是不会释放锁的，就这样，线程A和线程B死死的对着，谁也不放过谁。等到了你去重启应用的那一天。。。这个现象就是死锁。
死锁的定义：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。
如下图：

查找死锁信息

这里我先以一个基本会发生死锁的程序为例，创建两个线程，线程A获取到锁A后，休眠1秒后去获取锁B；线程B获取到锁B后，休眠1秒后去获取锁A。那么这样基本都会发生死锁的现象，代码如下：

public class DeadLock extends Thread {
    private String first;
    private String second;
    public DeadLock(String name, String first, String second) {
        super(name); // 线程名
        this.first = first;
        this.second = second;
    }

    public  void run() {
        synchronized (first) {
            System.out.println(this.getName() + " 获取到锁: " + first);
            try {
                Thread.sleep(1000L); //线程休眠1秒
                synchronized (second) {
                    System.out.println(this.getName() + " 获取到锁: " + second);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                // Do nothing
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        String lockA = "lockA";
        String lockB = "lockB";
        DeadLock threadA = new DeadLock("ThreadA", lockA, lockB);
        DeadLock threadB = new DeadLock("ThreadB", lockB, lockA);
        threadA.start();
        threadB.start();
        threadA.join(); //等待线程1执行完
        threadB.join();
    }
}

运行程序后将发生死锁，然后使用jps命令（jps.exe在jdk/bin目录下），命令如下：

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\bin>jps -l
24416 sun.tools.jps.Jps
24480 org.jetbrains.kotlin.daemon.KotlinCompileDaemon
1624
20360 org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher
9256
9320 page2.DeadLock
18188

可以发现发生死锁的进程id 9320,然后使用jstack（jstack.exe在jdk/bin目录下）命令查看死锁信息。

C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\bin>jstack 9320
"ThreadB" #13 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000001e48c800 nid=0x51f8 waiting for monitor entry [0x000000001f38f000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
        at page2.DeadLock.run(DeadLock.java:19)
        - waiting to lock <0x000000076b99c198> (a java.lang.String)
        - locked <0x000000076b99c1d0> (a java.lang.String)

"ThreadA" #12 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000001e48c000 nid=0x3358 waiting for monitor entry [0x000000001f28f000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
        at page2.DeadLock.run(DeadLock.java:19)
        - waiting to lock <0x000000076b99c1d0> (a java.lang.String)
        - locked <0x000000076b99c198> (a java.lang.String)

这样我们就可以看到发生死锁的信息。虽然发现了死锁，但是解决死锁只能是重启应用了。

如何避免死锁的发生

1.固定的顺序来获得锁

如果所有线程以固定的顺序来获得锁，那么在程序中就不会出现锁顺序死锁问题。（取自《Java并发编程实战》一书）
要想验证锁顺序的一致性，有很多种方式，如果锁定的对象含有递增的id字段（唯一、不可变、具有可比性的），那么就好办多了，获取锁的顺序以id由小到大来排序。还是用转账的例子来解释，代码如下：

public class Account {
    // id (递增)
    private Integer id;
    // 余额
    private Long money;
    public synchronized void transfer(Account target, Long money) {
        Account account1;
        Account account2;
        if (this.id < target.id) {
            account1 = this;
            account2 = target;
        } else {
            account1 = target;
            account2 = this;
        }

        synchronized(account1) {
            synchronized (account2) {
                this.money -= money;
                if (this.money < 0) {
                    // throw exception
                }
                target.money += money;
            }
        }
    }
}

若该对象并没有唯一、不可变、具有可比性的的字段（如：递增的id），那么可以使用 System.identityHashCode() 方法返回的哈希值来进行比较。比较方式可以和上面的例子一类似。System.identityHashCode()虽然会出现散列冲突，但是发生冲突的概率是非常低的。因此这项技术以最小的代价，换来了最大的安全性。
提示： 不管你是否重写了对象的hashCode方法，System.identityHashCode() 方法都只会返回默认的哈希值。

2.一次性申请所有资源

只要同时获取到转出账户和转入账户的资源锁。执行完转账操作后，也同时释放转入账户和转出账户的资源锁。那么则不会出现死锁。但是使用synchronized只能同时锁定一个资源锁，所以需要建立一个锁分配器LockAllocator 。代码如下：

/** 锁分配器（单例类） */
public class LockAllocator {
    private final List<Object> lock = new ArrayList<Object>();
    /** 同时申请锁资源 */
    public synchronized boolean lock(Object object1, Object object2) {
        if (lock.contains(object1) || lock.contains(object2)) {
            return false;
        }

        lock.add(object1);
        lock.add(object2);
        return true;
    }
    /** 同时释放资源锁 */
    public synchronized void unlock(Object object1, Object object2) {
        lock.remove(object1);
        lock.remove(object2);
    }
}

public class Account {
    // 余额
    private Long money;
    // 锁分配器
    private LockAllocator lockAllocator;
    
    public void transfer(Account target, Long money) {
        try {
            // 循环获取锁，直到获取成功
            while (!lockAllocator.lock(this, target)) {
            }

            synchronized (this){
                synchronized (target){
                    this.money -= money;
                    if (this.money < 0) {
                        // throw exception
                    }
                    target.money += money;
                }
            }
        } finally {
            // 释放锁
            lockAllocator.unlock(this, target);
        }
    }
}

使用while循环不断的去获取锁，一直到获取成功，当然你也可以设置获取失败后休眠xx毫秒后获取，或者其他优化的方式。释放锁必须使用try-finally的方式来释放锁。避免释放锁失败。

3.尝试获取锁资源

在Java中，Lock接口定义了一组抽象的加锁操作。与内置锁synchronized不同，使用内置锁时，只要没有获取到锁，就会死等下去，而显示锁Lock提供了一种无条件的、可轮询的、定时的以及可中断的锁获取操作，所有加锁和解锁操作都是显示的（内置锁synchronized的加锁和解锁操作都是隐示的），这篇文章就不展开来讲显示锁Lock了（当然感兴趣的朋友可以先百度一下）。