面试题：C++多线程中的死锁问题及解决方案

死锁产生的四个必要条件

互斥条件：资源一次只能被一个线程使用，即某个资源在一段时间内只能由一个线程占有。例如，一个文件在同一时刻只能被一个线程打开进行写操作。
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，并且在等待新资源的同时，不会释放已持有的资源。比如线程 A 持有资源 R1，又请求资源 R2，在等待 R2 时不释放 R1。
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。例如线程获取的锁，其他线程不能强行抢走。
循环等待条件：存在一个线程 - 资源的循环链，链中每个线程都在等待下一个线程所持有的资源。例如线程 A 等待线程 B 持有的资源，线程 B 等待线程 C 持有的资源，线程 C 又等待线程 A 持有的资源。

避免死锁的策略及代码实现

破坏占有并等待条件
- 策略：在申请新的资源前，先释放已持有的所有资源，然后一次性申请所需的全部资源。
- 代码实现：

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

std::mutex m1, m2;

void threadFunction() {
    // 先释放所有已持有的锁
    std::unique_lock<std::mutex> lock1(m1, std::defer_lock);
    std::unique_lock<std::mutex> lock2(m2, std::defer_lock);
    // 一次性申请所有需要的锁
    std::lock(lock1, lock2);
    std::cout << "Thread is working with both resources" << std::endl;
    // 工作完成后释放锁
    lock1.unlock();
    lock2.unlock();
}

int main() {
    std::thread t(threadFunction);
    t.join();
    return 0;
}

破坏循环等待条件
- 策略：对资源进行排序，线程按照固定的顺序获取资源。
- 代码实现：

#include <mutex>
#include <thread>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

std::mutex m1, m2;

void threadFunction() {
    std::vector<std::mutex*> resources = {&m1, &m2};
    std::sort(resources.begin(), resources.end(), [](std::mutex* a, std::mutex* b) {
        return a < b;
    });
    for (auto mutexPtr : resources) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(*mutexPtr);
    }
    std::cout << "Thread is working with both resources" << std::endl;
    // 锁会在离开作用域时自动释放
}

int main() {
    std::thread t(threadFunction);
    t.join();
    return 0;
}

定位和解决死锁问题的步骤

收集信息
- 日志记录：检查程序运行过程中的日志，查看是否有异常情况记录，例如线程进入等待状态但未按预期执行下一步操作等信息。
- 系统监控：使用系统工具（如 Linux 下的 top、ps 等命令）查看进程状态，确定程序是否处于死锁状态，以及死锁进程占用的资源情况。
使用调试工具
- GDB（GNU Debugger）：如果程序运行在支持 GDB 的环境中，使用 GDB 附加到死锁进程。通过 info threads 命令查看所有线程的状态，找到处于阻塞状态的线程。然后使用 thread <thread_id> 切换到具体线程，通过 bt（backtrace）命令查看线程的调用栈，分析线程在等待什么资源。
- Valgrind：Valgrind 工具集的 helgrind 工具可以检测多线程程序中的竞争条件和死锁。运行程序时使用 helgrind，它会报告可能导致死锁的资源竞争点。
分析代码
- 检查资源获取顺序：查看代码中资源获取的顺序，确认是否存在循环等待的可能。如果发现资源获取顺序混乱，按照破坏循环等待条件的策略进行修改。
- 检查锁的使用：检查锁的获取和释放逻辑，确保没有线程在持有锁的情况下无限期等待其他资源，遵循破坏占有并等待条件的原则优化代码。
修复和验证
- 修复代码：根据分析结果对代码进行修改，如调整资源获取顺序、优化锁的使用逻辑等。
- 重新测试：修改代码后，进行全面的测试，包括多线程并发测试，确保死锁问题得到解决，并且没有引入新的问题。

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面试题：C++多线程中的死锁问题及解决方案

知识考点

面试题答案

死锁产生的四个必要条件

避免死锁的策略及代码实现

定位和解决死锁问题的步骤