面试题：C语言多线程中的死锁预防与排查

Question

在一个使用C语言进行多线程编程的项目中，出现了死锁现象。已知有多个线程，它们分别对多个资源进行加锁操作。请描述死锁产生的四个必要条件，并说明如何预防死锁。如果死锁已经发生，你会采取哪些策略和工具来排查死锁问题？

Answer 1

死锁产生的四个必要条件

1. 互斥条件：资源在某一时刻只能被一个线程占用。
2. 占有并等待条件：一个线程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
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。
4. 循环等待条件：若干线程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

预防死锁的方法

1. 破坏互斥条件：尽量使用可共享的资源，避免独占资源。但有些资源本身特性决定其只能互斥访问，此方法应用场景有限。
2. 破坏占有并等待条件：在进程开始运行前，一次性分配它所需要的所有资源；或者在申请新资源时，先释放已占有的资源。
3. 破坏不可剥夺条件：当一个线程占有某些资源又申请新资源得不到满足时，必须释放已经占有的资源，待以后需要时再重新申请。
4. 破坏循环等待条件：对资源进行编号，规定线程申请资源时必须按照编号从小到大的顺序申请，这样可以避免循环等待。

死锁排查策略与工具

1. 策略：
   • 日志分析：在关键的加锁和解锁位置添加日志，记录线程ID、资源ID以及加锁解锁时间等信息，通过分析日志找出死锁发生的线索。
   • 资源分配图算法：构建资源分配图，通过算法检测图中是否存在环路，若存在环路则可能存在死锁。
2. 工具：
   • pthread库自带工具：在Linux下，使用pthread_mutexattr_settype设置互斥锁类型为PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK，这样当线程试图重复锁定同一互斥锁时，会返回错误，有助于发现死锁。
   • GDB调试：使用GDB的info threads查看所有线程状态，thread <thread_id>切换到指定线程，bt查看线程堆栈信息，通过分析线程堆栈找到死锁相关代码。
   • Valgrind：它能检测出许多内存相关问题，也可用于发现死锁。运行程序时，Valgrind会报告死锁相关信息。