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【JavaEE初阶】深入解析死锁的产生和避免以及内存不可见问题

news 来源：原创 2024/9/27 19:23:24

前言：

🌈上期博客：【后端开发】JavaEE初阶—线程安全问题与加锁原理（超详解）-CSDN博客

🔥感兴趣的小伙伴看一看小编主页：GGBondlctrl-CSDN博客

⭐️小编会在后端开发的学习中不断更新~~~

🥳非常感谢你的支持

📚️1.引言

📚️2.可重入锁

2.1概念

2.2原理理解

📚️3.死锁

3.1产生死锁的情况

1.一个线程，一把锁

2.两个线程，两把锁

3.N个线程，M把锁

3.2解决死锁的方法

📚️4.内存可见性

4.1内存可见性实例

4.2内存可见性原理

4.3内存可见性解决

1.进行线程休眠

2.添加volatile关键词

📚️5.总结

📚️1.引言

OK啊！！！小伙伴们，本小编又带来了一个重磅知识，我们上期讲解了关于线程安全问题，引出了加锁这个概念；但是加锁会产生一个严重的问题，就是当我们运用不当时，进行加锁会导致死锁的发生，那怎样才会导致死锁呢？以及如何避免呢？这就是小编本期的重要内容；

发车发车gogogog~~~🥳🥳🥳；

且听小编讲解，包你学会！！！

📚️2.可重入锁

2.1概念

什么是可重入锁呢？？？，让我们看看以下代码：

 public static void main(String[] args) {Object lock=new Object();//可重入锁实例Thread t1=new Thread(()->{synchronized (lock){synchronized (lock){System.out.println("Hello thread");}}});t1.start();        }

对于如何进行加锁操作，小编上期有讲，不清楚的小伙伴可以自己去看看哦~~~

开始认知：这里由于lock已经被加过一次锁了，那么接下来再加一次锁，不会发生线程阻塞吗，第一次加又没有进行释放；

注意：上面这种理解完全是错误的，这里就是由于使用同一个线程，此时的锁对象，就能够知道第二次加锁的线程，是持有锁的线程，那么在第二次加锁时，就直接通过，就不会发生“阻塞”现象

这种特性叫：可重入性，这个锁就叫做可重入锁~~~

2.2原理理解

在Java中实现可重入锁是非常简单的，因为synchrinized自带这个特性，那么这个特性的内部原理是啥呢，且看如下图所示：

注意：对于重入锁来说，最主要两部分第一个就是对于加锁的线程是否为同一个线程，第二就是对于加锁过程的计数器的次数理解；

以上都是在java中synchronized封装实现的，那么在C++中就没有重入锁的概念，此时当存在复杂的调用关系的时候，就会存在卡死的情况，就是“死锁”，接下来就注重“死锁”的理解；

📚️3.死锁

在之前讲解过，加锁可以解决线程安全问题，但是操作不当会产生“死锁”的情况；

3.1产生死锁的情况

1.一个线程，一把锁

即在上述讲解过程中的可重入所情况，但是如果没有可重入这个性质，那么连续对一个线程加锁两次，那么就会产生死锁；

2.两个线程，两把锁

即有两个线程，当线程1加上锁A，线程2加上锁B，那么然后在两个锁不进行释放的前提下，双方都想拿到对方的锁，此时就会发生死锁的情况；

这里有代码进行演示：

Object A=new Object();//对象AObject B=new Object();//对象B//创建线程t1拿到锁Thread t1=new Thread(()->{synchronized (A) {System.out.println("线程t1拿到了锁A");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException();}//线程进入休眠，保证另一个线程也能够拿到锁//尝试拿到对方的锁,此时锁A没有释放synchronized (B) {System.out.println("线程t1拿到了两把锁");}}});

此时小编设置了两个对象，即两个锁对象，那么我们就进行线1的加锁，此时当我们拿到锁A后，在不解开锁的情况下进行另外一把锁B的获取：

Thread t2=new Thread(()->{synchronized (B) {System.out.println("线程t2拿到了锁B");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException();}//线程进入休眠，保证另一个线程也能够拿到锁//尝试拿到对方的锁，没有释放自己的锁synchronized (A) {System.out.println("线程t2拿到了两把锁");}}});

此时，我们就行第二个线程的实现，和上述线程1一样，当拿到自己的锁之后，在不解开锁的情况下进行锁A的获取，然后两个线程启动之后的结果就是：

此时可以发现，线程各自拿到自己的锁之后，就直接“卡住”了，这就发生了线程安全问题；

当我们打开jconsole后，可以看看我们的线程情况：

这是我们的两个对应的线程名字，此时两个线程的执行状态就如下图所示：

注意：此时可以看到线程1处于BLOCKED状态，并且在等锁B，那么锁B的拥有者是线程2；同理，线程2在等锁A，而锁A的拥有者就是线程1；

可以发现此时两个锁都在等对方释放锁，此时就产生了死锁；

3.N个线程，M把锁

此时这种情况就是要考虑到“哲学家就餐问题了”，什么是哲学家就餐问题呢？？？

解释：此时有5个哲学家要吃面，但是筷子只有5根，这无根筷子在每个哲学家之间，此时就是五个哲学家就是五个线程，筷子就是锁，当每个哲学家拿到筷子后，旁边的两哲学家是吃不到的，就处于阻塞的状态，一般情况下哲学家啥时候吃到面是一个随机问题，一般情况下这是没有问题的~~~

注意：当我们每个哲学家左手拿起筷子时，可以发现此时每个哲学家都吃不到面（吃面要两根筷子），都等待另一个哲学家释放筷子（锁），此时就发生了线程的阻塞；

3.2解决死锁的方法

在了解线程的解决死锁之前我们要知道产生死锁的必要条件

（重点）

1.互斥使用：当一个线程获取到锁之后，另一个线程也想要获取，那么此时就要进行阻塞

2.不可抢占：当一个线程获得锁之后，其他线程想要获取此时就要等到锁的释放，不能强行占用

3.请求保持：当一个线程获得锁A之后，尝试再次获取锁B（锁A是没有释放的）

4.循环等待/环路等待

以上就是死锁形成的必要条件，缺一不可~~~；

那么针对以上死锁的产生条件，第三个条件是根据具体的代码来进行实现的，但是我们可以根据最后一个来进行攻破；

注意：解决哲学家问题关键：针对五把锁我们可以对其进行编号，然后每个哲学家也进行编号，此时约定，每个哲学家开始只能够拿编号比自己小的锁，然后再拿比自己编号大的锁；

为啥能够解决死锁问题呢？？？且看下图所示：

过程解释：当我们为这个线程和锁进行编号后，此时由于只能拿比自己编号小的筷子，那么2号哲学家拿1筷子，3号哲学家拿2号筷子.......到最后，5号哲学家拿4号筷子，此时就可以发现多了一双筷子，那么5号哲学家先再拿起5号筷子，此时当5号哲学家吃完后，放下筷子，一次类推，可以保证每个哲学家都拿够吃到面~~~，同理这就解决了死锁这个问题；

那么此时我们就可以改变之前这个双方获取两个锁的这个代码，实现这个代码的可行性：

Thread t2=new Thread(()->{synchronized (A) {System.out.println("线程t2拿到了锁A");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException();}//线程进入休眠，保证另一个线程也能够拿到锁//尝试拿到对方的锁，没有释放自己的锁synchronized (B) {System.out.println("线程t2拿到了两把锁");}}});

注意：这里小编只改了第二个线程的获取锁的顺序，即可保证两个线程都能够拿到锁；

解析：这里能够执行原因：当两个线程启动的时候，线程1获取到了锁A，所以此时线程B规定先不获取锁，即他以获取锁A来发生阻塞，当线程1执行完后，线程2就能够得到两个线程了~~~，这就是引入了加锁顺序规则~~~

总结：

解决死锁有很多办法，以下是一些小编总结的一些方法：

1.添加“筷子”；

2.去掉一个线程

3.引入计数器，规定最多同时几个人吃面

4.引入加锁顺序规则

5.“银行家算法”

1~3：虽然能够解决这个问题，但是普适性不高；

4：是小编推荐的，普适性高，而且容易实现；

5：是可以解决这个死锁问题，但是不推荐，实现过程很复杂，理论成立，现实不行；

📚️4.内存可见性

4.1内存可见性实例

内存可见性问题：即一个程序读，一个程序写的过程中产生的线程安全问题；

小编就用代码实例来演示：

public static void main(String[] args) {Thread t1=new Thread(()->{while (flag==0){//不输出任何；               }System.out.println("flag的值进行了改变");});Thread t2=new Thread(()->{System.out.println("输入一个flag的值");Scanner scanner=new Scanner(System.in);flag=scanner.nextInt();});//起启动线程t1.start();t2.start();}

解释：此时我们规定线程1进行读的操作，若flag是0，那么就不会打印任何日志，此时小编在线程2上进行改变，线程1中flag的值，让其不满足条件，实现跳出循环，结束线程；但是输出如下：

可以发现在小编输入1，改变flag的值之后，回车并没有输出“flag的值进行了改变”，所以此时就发生了线程安全问题，即内存可见性问题~~~

4.2内存可见性原理

这里从核心指令入手：

while (flag==0){//不输出任何；               
}

注意：这里的核心指令有两条

1.load读取内存当中的指令到寄存器中

2.寄存器拿着值与0进行比较

那么此时就是在线程2启动到输入这个操作，不断进行循环读取，比较的过程，所以这个操作有两个关键要点：

1.load不断从内存中读取数据到CPU寄存器上，这个操作的执行结果是一样的，几秒之内已经很多次了~~~

2.load从内存中读取数据这个操作开销远远大于寄存器比较这个操作~~~

此时就出现了一个问题：编译器优化代码这个操作，即JVM在优化中发现读取数据操作一直不变，那么优化后即将这个load读取数据操作给省去了（关键原因）；

代码优化：即JVM在保持原有代码逻辑不变的情况下，实现提高代码的效率，单线程还好，但是多线程很容易发生误判~~~

4.3内存可见性解决

1.进行线程休眠

核心：在上述讲解中，是因为读取这个内存的次数过多，且没有改变，所以我们能够实现，读取次数减少的操作；

代码实现如下：

Thread t1=new Thread(()->{while (flag==0){//不输出任何；try {Thread.sleep(1000);}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}System.out.println("flag的值进行了改变");});

小编只需要在读取数据这个操作实现休眠即可；

注意：这里的休眠是为了减少从内存中读取数据到CPU寄存器上，让load开销减少，减少迫切优化的程度；此时JVM就不会进行优化了，那么就不会出现线程安全问题

2.添加volatile关键词

volatile作用：这里的volatile关键词会阻止JVM对程序进行优化，确保每次循环都会从内存中读取数据到寄存器当中~~~

volatile核心作用：解决内存可见性问题，和禁止指令重排序~~~

代码演示：

public  volatile static int flag=0; //加上volatile实现代码优化的消除public static void main(String[] args) {Thread t1=new Thread(()->{while (flag==0){//不输出任何；                }System.out.println("flag的值进行了改变");});

注意：volatile和上述休眠作用基本一致，都是使JVM优化程序关闭，保证每次循环都是从内存中读取数据，而不是优化成直接从寄存器当中读取数据~~~