Java死锁原理、如何避免死锁、死锁检测

可参考
掘金 https://juejin.im/post/5aaf6ee76fb9a028d3753534
菜鸟教程 http://www.runoob.com/java/thread-deadlock.html
Java如何查看死锁？ https://blog.csdn.net/u014039577/article/details/52351626

死锁是这样一种情形：多个线程同时被阻塞，它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。由于线程被无限期地阻塞，因此程序不可能正常终止。

java 死锁产生的四个必要条件：

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。

一个例子

上面的内容可能有些抽象，因此我们举个例子来描述，如果此时有一个线程A，按照先锁a再获得锁b的的顺序获得锁，而在此同时又有另外一个线程B，按照先锁b再锁a的顺序获得锁。如下图所示：

public static void main(String[] args) {
    final Object a = new Object();
    final Object b = new Object();
    Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
        public void run() {
            synchronized (a) {
                try {
                    System.out.println("now i in threadA-locka");
                    Thread.sleep(1000l);
                    synchronized (b) {
                        System.out.println("now i in threadA-lockb");
                    }
                } catch (Exception e) {
                    // ignore
                }
            }
        }
    });

    Thread threadB = new Thread(new Runnable() {
        public void run() {
            synchronized (b) {
                try {
                    System.out.println("now i in threadB-lockb");
                    Thread.sleep(1000l);
                    synchronized (a) {
                        System.out.println("now i in threadB-locka");
                    }
                } catch (Exception e) {
                    // ignore
                }
            }
        }
    });

    threadA.start();
    threadB.start();
}

为了解决这个问题，我们不使用显示的去锁，我们用信号量去控制。

信号量可以控制资源能被多少线程访问，这里我们指定只能被一个线程访问，就做到了类似锁住。而信号量可以指定去获取的超时时间，我们可以根据这个超时时间，去做一个额外处理。

对于无法成功获取的情况，一般就是重复尝试，或指定尝试的次数，也可以马上退出。

import java.util.Date;
import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
 
public class UnLockTest {
   public static String obj1 = "obj1";
   public static final Semaphore a1 = new Semaphore(1);
   public static String obj2 = "obj2";
   public static final Semaphore a2 = new Semaphore(1);
 
   public static void main(String[] args) {
      LockAa la = new LockAa();
      new Thread(la).start();
      LockBb lb = new LockBb();
      new Thread(lb).start();
   }
}
class LockAa implements Runnable {
   public void run() {
      try {
         System.out.println(new Date().toString() + " LockA 开始执行");
         while (true) {
            if (UnLockTest.a1.tryAcquire(1, TimeUnit.SECONDS)) {
               System.out.println(new Date().toString() + " LockA 锁住 obj1");
               if (UnLockTest.a2.tryAcquire(1, TimeUnit.SECONDS)) {
                  System.out.println(new Date().toString() + " LockA 锁住 obj2");
                  Thread.sleep(60 * 1000); // do something
               }else{
                  System.out.println(new Date().toString() + "LockA 锁 obj2 失败");
               }
            }else{
               System.out.println(new Date().toString() + "LockA 锁 obj1 失败");
            }
            UnLockTest.a1.release(); // 释放
            UnLockTest.a2.release();
            Thread.sleep(1000); // 马上进行尝试，现实情况下do something是不确定的
         }
      } catch (Exception e) {
         e.printStackTrace();
      }
   }
}
class LockBb implements Runnable {
   public void run() {
      try {
         System.out.println(new Date().toString() + " LockB 开始执行");
         while (true) {
            if (UnLockTest.a2.tryAcquire(1, TimeUnit.SECONDS)) {
               System.out.println(new Date().toString() + " LockB 锁住 obj2");
               if (UnLockTest.a1.tryAcquire(1, TimeUnit.SECONDS)) {
                  System.out.println(new Date().toString() + " LockB 锁住 obj1");
                  Thread.sleep(60 * 1000); // do something
               }else{
                  System.out.println(new Date().toString() + "LockB 锁 obj1 失败");
               }
            }else{
               System.out.println(new Date().toString() + "LockB 锁 obj2 失败");
            }
            UnLockTest.a1.release(); // 释放
            UnLockTest.a2.release();
            Thread.sleep(10 * 1000); // 这里只是为了演示，所以tryAcquire只用1秒，而且B要给A让出能执行的时间，否则两个永远是死锁
         }
      } catch (Exception e) {
         e.printStackTrace();
      }
   }
}

死锁的根本原因

1）是多个线程涉及到多个锁，这些锁存在着交叉，所以可能会导致了一个锁依赖的闭环；
2）默认的锁申请操作是阻塞的。所以要避免死锁，就要在一遇到多个对象锁交叉的情况，就要仔细审查这几个对象的类中的所有方法，是否存在着导致锁依赖的环路的可能性。要采取各种方法来杜绝这种可能性。

如何避免死锁

1、我们可以使用ReentrantLock.tryLock()方法，在一个循环中，如果tryLock()返回失败，那么就释放以及获得的锁，并睡眠一小段时间

2、信号量可以控制资源能被多少线程访问，这里我们指定只能被一个线程访问，就做到了类似锁住。而信号量可以指定去获取的超时时间，我们可以根据这个超时时间，去做一个额外处理。

对于无法成功获取的情况，一般就是重复尝试，或指定尝试的次数，也可以马上退出。

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死锁检测

1、Jstack命令

jstack是java虚拟机自带的一种堆栈跟踪工具。jstack用于打印出给定的java进程ID或core file或远程调试服务的Java堆栈信息。
Jstack工具可以用于生成java虚拟机当前时刻的线程快照。线程快照是当前java虚拟机内每一条线程正在执行的方法堆栈的集合，生成线程快照的主要目的是定位线程出现长时间停顿的原因，如线程间死锁、死循环、请求外部资源导致的长时间等待等。 线程出现停顿的时候通过jstack来查看各个线程的调用堆栈，就可以知道没有响应的线程到底在后台做什么事情，或者等待什么资源。
首先，我们通过jps确定当前执行任务的进程号:

jonny@~$ jps
597
1370 JConsole
1362 AppMain
1421 Jps
1361 Launcher

可以确定任务进程号是1362，然后执行jstack命令查看当前进程堆栈信息：

jonny@~$ jstack -F 1362
Attaching to process ID 1362, please wait...
Debugger attached successfully.
Server compiler detected.
JVM version is 23.21-b01
Deadlock Detection:

Found one Java-level deadlock:
=============================

"Thread-1":
  waiting to lock Monitor@0x00007fea1900f6b8 (Object@0x00000007efa684c8, a java/lang/Object),
  which is held by "Thread-0"
"Thread-0":
  waiting to lock Monitor@0x00007fea1900ceb0 (Object@0x00000007efa684d8, a java/lang/Object),
  which is held by "Thread-1"

Found a total of 1 deadlock.

2、JConsole工具

Jconsole是JDK自带的监控工具，在JDK/bin目录下可以找到。它用于连接正在运行的本地或者远程的JVM，对运行在Java应用程序的资源消耗和性能进行监控，并画出大量的图表，提供强大的可视化界面。而且本身占用的服务器内存很小，甚至可以说几乎不消耗。
我们在命令行中敲入jconsole命令，会自动弹出以下对话框，选择进程1362，并点击“链接”

进入所检测的进程后，选择“线程”选项卡，并点击“检测死锁”

可以看到以下画面：

可以看到进程中存在死锁。
以上例子我都是用synchronized关键词实现的死锁，如果读者用ReentrantLock制造一次死锁，再次使用死锁检测工具，也同样能检测到死锁，不过显示的信息将会更加丰富，有兴趣的读者可以自己尝试一下

死锁预防

如果一个线程每次只能获得一个锁，那么就不会产生锁顺序的死锁。虽然不算非常现实，但是也非常正确（一个问题的最好解决办法就是，这个问题恰好不会出现）。不过关于死锁的预防，这里有以下几种方案：

1、以确定的顺序获得锁

如果必须获取多个锁，那么在设计的时候需要充分考虑不同线程之前获得锁的顺序。按照上面的例子，两个线程获得锁的时序图如下：

如果此时把获得锁的时序改成：

那么死锁就永远不会发生。 针对两个特定的锁，开发者可以尝试按照锁对象的hashCode值大小的顺序，分别获得两个锁，这样锁总是会以特定的顺序获得锁，那么死锁也不会发生。

问题变得更加复杂一些，如果此时有多个线程，都在竞争不同的锁，简单按照锁对象的hashCode进行排序（单纯按照hashCode顺序排序会出现“环路等待”），可能就无法满足要求了，这个时候开发者可以使用银行家算法，所有的锁都按照特定的顺序获取，同样可以防止死锁的发生，该算法在这里就不再赘述了，有兴趣的可以自行了解一下。

2、超时放弃

当使用synchronized关键词提供的内置锁时，只要线程没有获得锁，那么就会永远等待下去，然而Lock接口提供了boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException方法，该方法可以按照固定时长等待锁，因此线程可以在获取锁超时以后，主动释放之前已经获得的所有的锁。通过这种方式，也可以很有效地避免死锁。
还是按照之前的例子，时序图如下：

其他形式的死锁

我们再来回顾一下死锁的定义，“死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。”
死锁条件里面的竞争资源，可以是线程池里的线程、网络连接池的连接，数据库中数据引擎提供的锁，等等一切可以被称作竞争资源的东西。

1、线程池死锁

2、网络连接池死锁