面试题：C++多线程同步中死锁的检测与避免

Question

在C++多线程编程中，假设存在多个线程竞争多个资源，有可能产生死锁。请描述死锁产生的四个必要条件，并阐述如何检测死锁以及如何在代码层面避免死锁。

Answer 1

死锁产生的四个必要条件

1. 互斥条件：资源在同一时刻只能被一个线程占用。例如，打印机资源在某一时刻只能被一个打印任务（线程）使用。
2. 占有并等待条件：一个线程已经持有了至少一个资源，但又请求新的资源，且在等待新资源分配的过程中，不释放已持有的资源。比如线程A持有资源R1，又请求资源R2，在等待R2的过程中，不释放R1。
3. 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，只能由该线程自己释放。例如线程B获得了数据库连接资源，在它使用完该连接之前，其他线程不能强行夺走这个连接。
4. 循环等待条件：存在一个线程集合{T1, T2, …, Tn}，其中T1等待T2持有的资源，T2等待T3持有的资源，…，Tn等待T1持有的资源，形成一个循环等待链。

死锁检测

1. 资源分配图算法：通过构建资源分配图，图中节点表示线程和资源，边表示资源的请求和分配关系。使用算法（如深度优先搜索）检查图中是否存在环，若存在环则表示可能存在死锁。
2. 超时检测：为每个线程的资源请求设置一个超时时间，如果线程在规定时间内未能获取到所需资源，则认为可能发生死锁，并采取相应措施，如终止相关线程。

代码层面避免死锁

1. 资源分配顺序：对所有资源进行编号，所有线程按照相同的顺序请求资源。例如，线程A和线程B都先请求资源R1，再请求资源R2，这样可以避免循环等待。
2. 资源一次性分配：线程在启动时一次性请求它所需要的所有资源，而不是逐步请求。如果一次性无法分配所有资源，则该线程不占用任何资源，这样可以避免占有并等待的情况。
3. 使用超时机制：如上述检测方法中的超时检测，在代码中为资源请求设置超时。若超时未获取到资源，线程释放已持有的资源并重新尝试。
4. 引入资源分配器：创建一个资源分配器对象，负责管理资源的分配和回收。线程向资源分配器请求资源，资源分配器通过合理的调度算法避免死锁。