面试题：C++多线程互斥场景下的死锁分析与解决

Question

在C++多线程编程中，存在两个线程T1和T2，T1首先锁定互斥锁M1，然后尝试锁定互斥锁M2；T2首先锁定互斥锁M2，然后尝试锁定互斥锁M1。请分析这种场景下可能产生死锁的原因，并提出至少两种避免死锁的方法，用代码示例说明其中一种方法。

Answer 1

死锁原因

当T1锁定M1后，T2锁定M2，此时T1尝试锁定M2，由于M2已被T2锁定，T1进入等待；同时T2尝试锁定M1，由于M1已被T1锁定，T2也进入等待。两个线程互相等待对方释放锁，从而形成死锁。

避免死锁的方法

1. 破坏死锁的四个必要条件（互斥、占有并等待、不可剥夺、循环等待）：
   • 破坏占有并等待：线程在开始时一次性获取所有需要的锁，而不是分阶段获取。
   • 破坏不可剥夺：当一个线程获取锁失败时，释放已持有的锁。
   • 破坏循环等待：对锁进行排序，线程按照相同顺序获取锁。
2. 使用资源分配图算法（如银行家算法）：在每次请求资源（锁）时，检查是否会导致死锁。

代码示例（按照锁顺序获取锁的方法）

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex M1;
std::mutex M2;

void thread1() {
    // 按照固定顺序获取锁
    std::lock(M1, M2);
    std::lock_guard<std::mutex> lock1(M1, std::adopt_lock);
    std::lock_guard<std::mutex> lock2(M2, std::adopt_lock);

    std::cout << "Thread 1 is working." << std::endl;
}

void thread2() {
    // 按照固定顺序获取锁
    std::lock(M1, M2);
    std::lock_guard<std::mutex> lock1(M1, std::adopt_lock);
    std::lock_guard<std::mutex> lock2(M2, std::adopt_lock);

    std::cout << "Thread 2 is working." << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t1(thread1);
    std::thread t2(thread2);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

在这个示例中，std::lock 函数会一次性获取两个锁，避免了死锁的发生。std::lock_guard 使用 std::adopt_lock 标记，表示已经获取了锁，不需要在构造时再次获取。这样两个线程都会按照相同的顺序获取锁，从而避免死锁。