面试题：并发与同步之死锁场景分析与预防

Question

假设在一个多线程应用程序中，存在线程A、B、C，它们分别需要获取资源R1、R2、R3。线程A持有资源R1并请求R2，线程B持有资源R2并请求R3，线程C持有资源R3并请求R1，这种情况可能导致死锁。请描述死锁产生的四个必要条件，并给出至少两种预防死锁的方法，同时说明这些方法如何破坏死锁的必要条件。

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所占有，其他线程若要使用该资源，必须等待资源被释放。例如，资源R1在被线程A持有期间，线程B和C不能同时获取R1。
2. 占有并等待条件：线程已经持有了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源被其他线程占有，此时请求线程被阻塞，但对自己已获得的资源保持不放。如线程A持有R1，又请求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持有的R2，其他线程不能强行拿走，只有线程B主动释放R2。
4. 循环等待条件：存在一个线程资源的循环等待链，链中每个线程已获得的资源同时被下一个线程所请求。像线程A等待线程B持有的R2，线程B等待线程C持有的R3，线程C等待线程A持有的R1，形成了循环等待。

预防死锁的方法及破坏条件说明

1. 破坏占有并等待条件
   • 方法：在所有线程开始执行前，要求它们一次性申请所需的全部资源。例如，让线程A、B、C一开始就申请R1、R2、R3这三个资源，而不是先持有一个再申请其他的。
   • 破坏原理：这种方式使得线程不会出现持有部分资源又等待其他资源的情况，从而破坏了占有并等待条件，避免死锁。因为如果有任何一个资源无法获取，所有资源都不会分配给线程，线程也不会开始执行，也就不存在持有部分资源等待其他资源的问题。
2. 破坏循环等待条件
   • 方法：对资源进行排序，规定所有线程必须按照资源编号从小到大的顺序申请资源。比如，给R1、R2、R3分别编号1、2、3，线程只能先申请1号资源R1，再申请2号资源R2，最后申请3号资源R3。
   • 破坏原理：通过这种方式，线程不会形成循环等待链，因为每个线程都按照固定顺序申请资源，不可能出现A等B，B等C，C等A的循环等待情况，从而破坏了循环等待条件。例如线程A申请了R1，要申请R2，线程B申请R2时必须先申请R1（若R1已被A申请，B等待），不会出现B持有R2等待R3，而C持有R3等待R1这种循环等待。
3. 破坏不可剥夺条件
   • 方法：当一个线程申请资源失败时，释放它已经持有的所有资源。例如线程A持有R1申请R2失败，就释放R1，其他线程就有机会获取R1和R2，打破死锁局面。
   • 破坏原理：这种方法打破了不可剥夺条件，因为线程持有的资源可以被强制释放，使得其他线程有机会获取资源，避免了因资源无法被剥夺而导致的死锁。