十六、嵌套管程锁死

原文链接    作者:Jakob Jenkov

译者:余绍亮    校对:丁一

嵌套管程锁死类似于死锁, 下面是一个嵌套管程锁死的场景:

线程1获得A对象的锁。
线程1获得对象B的锁(同时持有对象A的锁)。
线程1决定等待另一个线程的信号再继续。
线程1调用B.wait(),从而释放了B对象上的锁,但仍然持有对象A的锁。

线程2需要同时持有对象A和对象B的锁,才能向线程1发信号。
线程2无法获得对象A上的锁,因为对象A上的锁当前正被线程1持有。
线程2一直被阻塞,等待线程1释放对象A上的锁。

线程1一直阻塞,等待线程2的信号,因此,不会释放对象A上的锁,
	而线程2需要对象A上的锁才能给线程1发信号……


你可以能会说,这是个空想的场景,好吧,让我们来看看下面这个比较挫的Lock实现:

01	//lock implementation with nested monitor lockout problem
02	public class Lock{
03	    protected MonitorObject monitorObject = new MonitorObject();
04	    protected boolean isLocked = false;
05	
06	    public void lock() throws InterruptedException{
07	        synchronized(this){
08	            while(isLocked){
09	                synchronized(this.monitorObject){
10	                    this.monitorObject.wait();
11	                }
12	            }
13	            isLocked = true;
14	        }
15	    }
16	
17	    public void unlock(){
18	        synchronized(this){
19	            this.isLocked = false;
20	            synchronized(this.monitorObject){
21	                this.monitorObject.notify();
22	            }
23	        }
24	    }
25	}

可以看到,lock()方法首先在”this”上同步,然后在monitorObject上同步。如果isLocked等于false,因为线程不会继续调用monitorObject.wait(),那么一切都没有问题 。但是如果isLocked等于true,调用lock()方法的线程会在monitorObject.wait()上阻塞。

这里的问题在于,调用monitorObject.wait()方法只释放了monitorObject上的管程对象,而与”this“关联的管程对象并没有释放。换句话说,这个刚被阻塞的线程仍然持有”this”上的锁。

校对注:如果一个线程持有这种Lock的时候另一个线程执行了lock操作)当一个已经持有这种Lock的线程想调用unlock(),就会在unlock()方法进入synchronized(this)块时阻塞。这会一直阻塞到在lock()方法中等待的线程离开synchronized(this)块。但是,在unlock中isLocked变为false,monitorObject.notify()被执行之后,lock()中等待的线程才会离开synchronized(this)块。

简而言之,在lock方法中等待的线程需要其它线程成功调用unlock方法来退出lock方法,但是,在lock()方法离开外层同步块之前,没有线程能成功执行unlock()。

结果就是,任何调用lock方法或unlock方法的线程都会一直阻塞。这就是嵌套管程锁死。

一个更现实的例子

你可能会说,这么挫的实现方式我怎么可能会做呢?你或许不会在里层的管程对象上调用wait或notify方法,但完全有可能会在外层的this上调。
有很多类似上面例子的情况。例如,如果你准备实现一个公平锁。你可能希望每个线程在它们各自的QueueObject上调用wait(),这样就可以每次唤醒一个线程。

下面是一个比较挫的公平锁实现方式:

01	//Fair Lock implementation with nested monitor lockout problem
02	public class FairLock {
03	    private boolean isLocked = false;
04	    private Thread lockingThread = null;
05	    private List waitingThreads =
06	        new ArrayList();
07	
08	    public void lock() throws InterruptedException{
09	        QueueObject queueObject = new QueueObject();
10	
11	        synchronized(this){
12	            waitingThreads.add(queueObject);
13	
14	            while(isLocked ||
15	                waitingThreads.get(0) != queueObject){
16	
17	                synchronized(queueObject){
18	                    try{
19	                        queueObject.wait();
20	                    }catch(InterruptedException e){
21	                        waitingThreads.remove(queueObject);
22	                        throw e;
23	                    }
24	                }
25	            }
26	            waitingThreads.remove(queueObject);
27	            isLocked = true;
28	            lockingThread = Thread.currentThread();
29	        }
30	    }
31	
32	    public synchronized void unlock(){
33	        if(this.lockingThread != Thread.currentThread()){
34	            throw new IllegalMonitorStateException(
35	                "Calling thread has not locked this lock");
36	        }
37	        isLocked = false;
38	        lockingThread = null;
39	        if(waitingThreads.size() > 0){
40	            QueueObject queueObject = waitingThread.get(0);
41	            synchronized(queueObject){
42	                queueObject.notify();
43	            }
44	        }
45	    }
46	}
1	public class QueueObject {}

乍看之下,嗯,很好,但是请注意lock方法是怎么调用queueObject.wait()的,在方法内部有两个synchronized块,一个锁定this,一个嵌在上一个synchronized块内部,它锁定的是局部变量queueObject。
当一个线程调用queueObject.wait()方法的时候,它仅仅释放的是在queueObject对象实例的锁,并没有释放”this”上面的锁。

现在我们还有一个地方需要特别注意, unlock方法被声明成了synchronized,这就相当于一个synchronized(this)块。这就意味着,如果一个线程在lock()中等待,该线程将持有与this关联的管程对象。所有调用unlock()的线程将会一直保持阻塞,等待着前面那个已经获得this锁的线程释放this锁,但这永远也发生不了,因为只有某个线程成功地给lock()中等待的线程发送了信号,this上的锁才会释放,但只有执行unlock()方法才会发送这个信号。

因此,上面的公平锁的实现会导致嵌套管程锁死。更好的公平锁实现方式可以参考Starvation and Fairness

嵌套管程锁死 VS 死锁

嵌套管程锁死与死锁很像:都是线程最后被一直阻塞着互相等待。

但是两者又不完全相同。在死锁中我们已经对死锁有了个大概的解释,死锁通常是因为两个线程获取锁的顺序不一致造成的,线程1锁住A,等待获取B,线程2已经获取了B,再等待获取A。如死锁避免中所说的,死锁可以通过总是以相同的顺序获取锁来避免。
但是发生嵌套管程锁死时锁获取的顺序是一致的。线程1获得A和B,然后释放B,等待线程2的信号。线程2需要同时获得A和B,才能向线程1发送信号。所以,一个线程在等待唤醒,另一个线程在等待想要的锁被释放。

不同点归纳如下:

死锁中,二个线程都在等待对方释放锁。

嵌套管程锁死中,线程1持有锁A,同时等待从线程2发来的信号,线程2需要锁A来发信号给线程1。

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