面试题：并发与同步之高级难度：死锁问题分析与解决

Question

假设在一个多线程程序中出现了死锁，该程序使用了多个互斥锁来保护共享资源。请描述你定位死锁的步骤，以及提出至少两种避免死锁的策略，并说明这些策略在实际代码实现中的要点。

Answer 1

定位死锁的步骤

1. 日志记录： 在获取和释放互斥锁的关键代码位置添加详细日志，记录线程ID、获取/释放锁的时间和锁的标识。通过分析日志可以发现线程获取锁的顺序和等待情况，初步定位死锁发生的位置。
2. 使用工具：

• 调试器：在支持多线程调试的IDE（如Visual Studio、Intellij IDEA等）中，使用调试功能暂停程序执行，查看线程堆栈信息。死锁的线程通常会在获取锁的地方阻塞，通过分析堆栈能找到相关代码。
• 系统工具：在Linux系统中，pstack命令可以查看进程中所有线程的堆栈信息；strace命令可以跟踪系统调用，帮助发现线程在锁相关系统调用（如pthread_mutex_lock）上的阻塞。

3. 死锁检测算法： 实现死锁检测算法，如资源分配图算法。维护一个资源分配图，图中节点表示线程和资源，边表示资源分配关系和请求关系。定期检查图中是否存在环，若存在环则表示可能发生死锁，环中的线程即为死锁线程。

避免死锁的策略及实现要点

1. 破坏死锁的四个必要条件
   • 破坏互斥条件：
     • 策略：尽量使用可共享的资源，减少互斥资源的使用。例如，将某些只读数据设置为共享访问，无需加锁。
     • 实现要点：确保共享资源的读操作不会被其他线程修改，在代码中明确区分只读和读写操作，只读操作无需获取互斥锁。
   • 破坏占有并等待条件：
     • 策略：要求线程一次性获取所有需要的资源，而不是逐步获取。
     • 实现要点：在程序设计阶段，分析每个线程所需的所有资源，在启动线程前，让线程尝试一次性获取这些资源。若有任何资源获取失败，则释放已获取的所有资源并等待一段时间后重试。
   • 破坏不可剥夺条件：
     • 策略：允许系统在必要时剥夺线程已经获得的资源。
     • 实现要点：为每个资源设置一个优先级，当一个高优先级线程需要某个被低优先级线程占用的资源时，低优先级线程必须释放该资源。在代码中，通过引入资源优先级管理机制，在获取锁的逻辑中加入优先级判断和资源剥夺逻辑。
   • 破坏循环等待条件：
     • 策略：对资源进行排序，规定线程只能按照资源的顺序获取锁，避免形成循环等待。
     • 实现要点：为每个互斥锁分配一个唯一的标识符，按照标识符从小到大或其他固定顺序获取锁。在代码中，获取锁的函数需要确保按照既定顺序获取锁，如先获取标识符小的锁，再获取标识符大的锁。
2. 使用超时机制
   • 策略：在线程获取锁时设置一个超时时间，如果在规定时间内未能获取到锁，则放弃获取并释放已获取的其他锁，等待一段时间后重试。
   • 实现要点：在互斥锁的获取函数（如pthread_mutex_timedlock）中设置合适的超时时间。同时，在代码中要处理好获取锁超时后的逻辑，包括释放已获取的锁和重试机制，避免无限重试导致的性能问题。
3. 使用资源分配图算法
   • 策略：在每次资源分配前，使用资源分配图算法检查是否会导致死锁，如果会导致死锁则拒绝分配。
   • 实现要点：实现资源分配图的数据结构，在每次资源请求时，模拟资源分配并检查资源分配图是否存在环。若存在环，则拒绝分配；若不存在环，则进行实际的资源分配。在代码中，要确保资源分配图的实时更新和准确检查。