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在并发编程中，有两个重要的概念需要深入探讨，即死锁问题和银行家算法，它们对于编写可靠的并发程序至关重要。
一、死锁的概念
死锁是指两个或两个以上的线程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象。若无外力作用，这些线程都将无法继续执行下去。
二、死锁产生的条件
- 互斥条件
资源在同一时刻只能被一个线程使用。例如，在 Java 中，当一个线程获取了某个对象的锁时，其他线程不能同时获取该锁。以下是一个简单的代码示例：
public class DeadlockExample {
private static final Object resource1 = new Object();
private static final Object resource2 = new Object();
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
synchronized (resource1) {
System.out.println("线程1获取了资源1，尝试获取资源2");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (resource2) {
System.out.println("线程1获取了资源2");
}
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
synchronized (resource2) {
System.out.println("线程2获取了资源2，尝试获取资源1");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (resource1) {
System.out.println("线程2获取了资源1");
}
}
});
thread1.start();
thread2.start();
}
}
在上述代码中，resource1和resource2是两个被互斥访问的资源。线程 1 获取resource1后等待resource2，而线程 2 获取resource2后等待resource1，从而导致死锁。
-
请求与保持条件
线程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其他线程占有，此时请求线程被阻塞，但对自己已获得的资源保持不放。 -
不可剥夺条件
线程已获得的资源在未使用完之前不能被其他线程强行剥夺，只能由自己释放。 -
循环等待条件
存在一种线程资源的循环等待链，链中的每一个线程已获得的资源同时被下一个线程所请求。在上面的代码示例中，线程 1 等待线程 2 持有的resource2，而线程 2 等待线程 1 持有的resource1，形成了循环等待。
三、死锁的排查方案
- 使用 jstack 工具（Java）
jstack 是 JDK 自带的用于生成 Java 虚拟机当前时刻的线程快照的工具。可以通过以下命令使用：
jstack <pid>
其中<pid>是 Java 进程的 ID。在输出结果中，可以查找是否有死锁相关的信息，如发现类似Found one Java - level deadlock的提示，则表示存在死锁，并会列出涉及死锁的线程信息。
- 在代码中添加检测逻辑（Java）
可以编写代码来定期检查系统中是否存在死锁的可能性。例如，通过维护一个线程和资源的关系图，检查是否存在循环依赖。以下是一个简单的思路示例：
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.Set;
public class DeadlockDetector {
private static Map<Thread, Set<Object>> threadResourceMap = new HashMap<>();
public static void addThreadResourceMapping(Thread thread, Set<Object> resources) {
threadResourceMap.put(thread, resources);
}
public static boolean detectDeadlock() {
// 这里需要实现复杂的检测逻辑，比如检查是否存在循环依赖
// 简单起见，这里返回 false
return false;
}
}
- 前端展示（使用 Vue）
我们可以创建一个 Vue 组件来模拟死锁的情况（这里简化为显示死锁相关信息）：
<template>
<div>
<h2>死锁演示与检测</h2>
<button @click="simulateDeadlock">模拟死锁</button>
<p v - if="deadlockDetected">检测到死锁！</p>
<p v - else>未检测到死锁。</p>
</div>
</template>
<script>
import DeadlockExample from './DeadlockExample.js'; // 假设这里是后端定义的 DeadlockExample 类的导入路径
export default {
data() {
return {
deadlockDetected: false
};
},
methods: {
simulateDeadlock() {
try {
// 启动可能导致死锁的线程
DeadlockExample.main([]);
// 这里可以添加调用后端的死锁检测逻辑，比如通过接口调用
// 假设这里简单地设置为检测到死锁
this.deadlockDetected = true;
} catch (error) {
console.error('模拟死锁出现问题', error);
}
}
}
};
</script>
<style>
/* 样式代码 */
</style>
四、如何避免死锁
-
破坏死锁产生的条件
- 对于互斥条件，有些资源本身就是互斥的，很难改变，但可以通过使用可重入锁等方式来优化。
- 对于请求与保持条件，可以一次性申请所有需要的资源，避免在持有部分资源的情况下请求其他资源。
- 对于不可剥夺条件，可以允许系统剥夺某些线程的资源，但这需要谨慎设计。
- 对于循环等待条件，可以通过对资源进行编号，要求线程按照一定顺序获取资源来避免。
-
使用定时锁（Java）
例如，使用tryLock(long timeout, TimeUnit unit)方法，在获取锁时设置一个超时时间，如果在规定时间内无法获取锁，则放弃获取，避免长时间等待导致死锁。示例代码如下：
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class TimedLockExample {
private static Lock lock1 = new ReentrantLock();
private static Lock lock2 = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
try {
if (lock1.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS)) {
try {
System.out.println("线程1获取了锁1，尝试获取锁2");
if (lock2.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS)) {
try {
System.out.println("线程1获取了锁2");
} finally {
lock2.unlock();
}
} else {
System.out.println("线程1获取锁2超时，放弃操作");
}
} finally {
lock1.unlock();
}
} else {
System.out.println("线程1获取锁1超时，放弃操作");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
try {
if (lock2.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS)) {
try {
System.out.println("线程2获取了锁2，尝试获取锁1");
if (lock1.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS)) {
try {
System.out.println("线程2获取了锁1");
} finally {
lock1.unlock();
}
} else {
System.out.println("线程2获取锁1超时，放弃操作");
}
} finally {
lock2.unlock();
}
} else {
System.out.println("线程2获取锁2超时，放弃操作");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
thread1.start();
thread2.start();
}
}
五、银行家算法
银行家算法是一种用于避免死锁的资源分配算法。在并发系统中，就像银行处理客户贷款一样来处理资源分配。系统中的每个进程可以看作是贷款的客户，资源看作是银行的资金。银行家算法在分配资源之前会检查系统是否处于安全状态。安全状态是指存在一种资源分配序列，使得所有进程都能顺利完成而不会产生死锁。例如，假设有进程 P1、P2、P3，资源类型 R1、R2、R3，系统需要根据每个进程对资源的需求、已分配资源情况以及系统剩余资源情况来判断是否能安全地分配资源给请求的进程。
以下是一个简单的银行家算法模拟代码示例：
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class BankerAlgorithm {
private int[] available; // 可用资源向量
private int[][] allocation; // 分配矩阵
private int[][] maximum; // 最大需求矩阵
private int numberOfProcesses; // 进程数量
private int numberOfResources; // 资源类型数量
public BankerAlgorithm(int numberOfProcesses, int numberOfResources) {
this.numberOfProcesses = numberOfProcesses;
this.numberOfResources = numberOfResources;
available = new int[numberOfResources];
allocation = new int[numberOfProcesses][numberOfResources];
maximum = new int[numberOfProcesses][numberOfResources];
}
// 初始化资源
public void initializeResources(int[] resources) {
for (int i = 0; i < numberOfResources; i++) {
available[i] = resources[i];
}
}
// 设置进程的最大需求
public void setMaximum(int processIndex, int[] resourceRequirements) {
for (int i = 0; i < numberOfResources; i++) {
maximum[processIndex][i] = resourceRequirements[i];
}
}
// 分配资源给进程
public boolean allocateResources(int processIndex, int[] request) {
// 检查请求是否超过了需要
for (int i = 0; i < numberOfResources; i++) {
if (request[i] > maximum[processIndex][i] - allocation[processIndex][i]) {
return false;
}
}
// 检查请求是否超过了可用资源
for (int i = 0; i < numberOfResources; i++) {
if (request[i] > available[i]) {
return false;
}
}
// 模拟分配资源
for (int i = 0; i < numberOfResources; i++) {
available[i] -= request[i];
allocation[processIndex][i] += request[i];
}
return isSystemSafe();
}
// 检查系统是否处于安全状态
private boolean isSystemSafe() {
boolean[] finish = new boolean[numberOfProcesses];
int[] work = available.clone();
List<Integer> safeSequence = new ArrayList<>();
do {
boolean found = false;
for (int i = 0; i < numberOfProcesses; i++) {
if (!finish[i]) {
boolean canAllocate = true;
for (int j = 0; j < numberOfResources; j++) {
if (maximum[i][j] - allocation[i][j] > work[j]) {
canAllocate = false;
break;
}
}
if (canAllocate) {
for (int k = 0; k < numberOfResources; k++) {
work[k] += allocation[i][k];
}
finish[i] = true;
safeSequence.add(i);
found = true;
}
}
}
if (!found) {
return false;
}
} while (safeSequence.size() < numberOfProcesses);
return true;
}
}
在讲解并发编程中的死锁问题和资源分配问题时，可以用银行家算法的示例展示如何通过合理的资源分配策略来避免死锁，确保系统的稳定性和可靠性。总之，死锁和资源分配是并发编程中需要谨慎对待的问题，了解死锁产生的条件、排查方法、避免策略以及银行家算法等资源分配算法对于编写健壮的并发程序至关重要。