面试题：进程管理：多线程并发执行中的死锁预防与检测

Question

假设你正在开发一个多线程应用程序，该程序涉及多个线程对多个资源的访问。请描述死锁发生的四个必要条件，并详细说明如何通过破坏这些条件来预防死锁。另外，如果程序运行时怀疑出现死锁，你会采取哪些方法进行检测？

Answer 1

死锁发生的四个必要条件

1. 互斥条件：资源在某一时刻只能被一个线程占用。例如打印机，同一时间只能被一个任务使用。
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，且在等待新资源的同时不会释放已持有的资源。比如一个线程已经获取了资源A，又要获取资源B，在等待B时不释放A。
3. 不可剥夺条件：线程所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：存在一个线程 - 资源的循环链，链中的每个线程都在等待下一个线程所占用的资源。比如线程T1等待线程T2占用的资源，T2等待T3占用的资源，T3又等待T1占用的资源。

破坏死锁条件以预防死锁

1. 破坏互斥条件：尽量使用可共享的资源代替独占资源。例如，对于一些数据资源，可以使用读写锁，允许多个线程同时读。但这种方法对于像打印机这样真正需要独占的资源不太适用。
2. 破坏占有并等待条件：
   • 一次性分配策略：在线程启动时，要求它一次性申请所需的所有资源。若有任何资源无法获取，则不分配任何资源，线程等待。
   • 先释放再申请策略：线程在请求新资源前，先释放已持有的所有资源，然后重新申请所需的全部资源。
3. 破坏不可剥夺条件：
   • 操作系统层面：操作系统可以强行剥夺线程占有的资源分配给其他线程。例如，高优先级线程可以抢占低优先级线程的资源。
   • 应用程序层面：可以设计一种机制，当一个线程长时间占用资源且其他线程急需时，可强制该线程释放资源。
4. 破坏循环等待条件：
   • 资源分配图算法：使用资源分配图算法（如银行家算法），通过检查系统状态，确保在分配资源后不会形成循环等待。
   • 资源排序分配：为所有资源分配一个唯一的序号，线程只能按照序号递增的顺序请求资源。例如，资源A序号为1，资源B序号为2，线程若要获取A和B，必须先获取A再获取B。

死锁检测方法

1. 资源分配图算法：构建资源分配图，通过算法（如深度优先搜索）检测图中是否存在环，若存在环则表示可能发生死锁。
2. 超时检测：为每个线程的资源请求设置一个超时时间，如果一个线程在规定时间内没有获取到所需资源，则认为可能发生死锁。
3. 日志和监控：
   • 日志记录：记录每个线程获取和释放资源的时间和顺序，通过分析日志来发现可能的死锁情况。
   • 监控工具：使用操作系统或应用程序层面的监控工具，实时监控线程的状态和资源占用情况，如Java中的jconsole工具可以查看线程状态和死锁信息。