每日三道面试题之 Java并发编程 （四）

1.什么是线程死锁

线程死锁是并发编程中一个常见问题，它发生在两个或多个线程永久性地阻塞彼此，等待对方释放锁，但没有任何一方先行释放锁的情况下。简单来说，每个线程都持有对方需要的资源而等待对方释放资源，导致所有相关线程都无法继续执行下去。

线程死锁通常涉及以下四个必要条件，这四个条件同时满足时，死锁就可能发生：

1. 互斥条件：资源不能被多个线程同时共享，只能由一个线程在任一时刻使用。
2. 至少有一个线程它必须持有一个资源且正在等待获取一个当前被其他线程持有的资源：即线程已经持有至少一个资源，但又试图获取另一个被其他线程持有的资源。
3. 资源不能被线程（主动）抢占：线程已经获取的资源在未使用完之前，不能被其他线程强行抢占。
4. 循环等待条件：发生死锁时，必然存在一个线程—资源的循环等待链，每个线程持有一个资源并等待下一个线程所持有的资源。

解决或避免死锁的方法通常包括：

• 破坏互斥条件：虽然对于某些资源（如打印机），这几乎不可能实现，但对于软件资源来说，可以通过允许某种程度的共享来实现。
• 破坏占有和等待条件：一种方法是要求线程一开始就请求所有必需资源，并且只有当所有请求都能被同时满足时，才分配给该线程。
• 破坏不可抢占条件：如果某线程获得了一部分资源但请求其他资源时被拒绝，那么它必须释放已占有的资源，稍后再重新尝试。
• 破坏循环等待条件：对所有资源进行排序，强制每个线程按顺序请求资源，这样就不会形成循环等待。

避免死锁的关键是对资源的访问进行仔细的控制和调度，以确保上述条件不会同时满足。

2.形成死锁的四个必要条件是什么

形成死锁的四个必要条件通常被称为死锁的四个基本条件，它们是：

1. 互斥条件（Mutual Exclusion）：资源不能被共享，只能由一个线程（或进程）在任一时刻使用。即在一段时间内某资源仅为一个线程所占用。如果此时还有其他线程请求该资源，则请求者只能等待，直到占有资源的线程释放该资源。

2. 占有且等待条件（Hold and Wait）：一个线程（或进程）至少保持一个资源，并且等待获取额外的资源，而这些额外的资源又被其他线程占有。线程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。

3. 非抢占条件（No Preemption）：资源不能被强行从一个线程（或进程）中夺走，线程（或进程）必须自愿释放资源。即一旦某线程已经获得了某资源，在未使用完之前，不能强行剥夺其资源。

4. 循环等待条件（Circular Wait）：存在一种线程（或进程）的等待循环，每个线程（或进程）都在等待下一个线程（或进程）所占有的资源。即在发生死锁时，必然存在一个线程—资源的环形链，链中的每一个线程（或进程）至少已经占有一个资源，又在等待获取下一个线程（或进程）已经占有的资源。

只有当这四个条件同时成立时，才会发生死锁。理解这些条件有助于在设计和开发软件时采取相应的预防和避免策略，从而减少或消除死锁的可能性。

3.如何避免线程死锁

避免线程死锁是多线程程序设计中的一个关键考虑点。虽然彻底避免死锁可能很困难，但以下策略可以显著减少发生死锁的风险：

1. 避免一些必要条件：

   • 互斥：对于一些资源（如打印机），互斥是必须的，但对于可共享的资源（如只读数据），可以通过允许多个线程共享资源来避免互斥。
   • 持有并等待：要求线程在开始执行前请求所有必需的资源，并且只有当所有资源都可以被同时分配时，线程才能开始执行。这样做可以减少死锁，但可能会降低资源的利用率。
   • 不可抢占：如果一个线程已经持有一些资源但请求其他资源失败，可以让它释放所有已持有的资源，从而允许其他线程使用它们，然后重新尝试。
   • 循环等待：通过定义所有资源的线性顺序，并强制所有线程按此顺序请求资源，可以破坏循环等待条件。

2. 使用锁超时：

   • 在尝试获取锁时使用超时机制是一种避免死锁的实用方法。如果线程在指定时间内无法获取所有必需的锁，它会自动释放已经获取的锁并重新尝试。这种方法增加了死锁解除的可能性，但可能会引入性能问题。

3. 死锁检测与恢复：

   • 虽然这不是预防死锁的方法，但通过定期检查死锁的存在，并采取措施（如回滚某些操作或强制释放一些资源）来打破死锁，也是处理死锁问题的一种方式。

4. 使用顺序锁定：

   • 一种避免死锁的简单方法是在程序中对所有需要锁定的资源进行排序，并确保每个线程按照这一确定的顺序获取锁。这样做可以有效避免循环等待的条件。

5. 减少锁的粒度：

   • 使用更细粒度的锁或其他同步机制（如并发数据结构），可以减少锁的争用，从而减少死锁的可能性。但这也可能增加编程的复杂性。

6. 使用非阻塞同步机制：

   • 采用非阻塞的数据结构和算法，如使用原子变量和无锁编程技术，可以完全避免死锁。这些技术通过消除传统的锁机制，来确保线程间的同步。

通过综合应用以上策略，可以大大降低多线程应用程序发生死锁的风险。然而，完全避免死锁通常需要仔细的设计和深思熟虑的资源管理策略。