【＜死锁＞】

[1] 什么是死锁

死锁，是指多个进程在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局，当进程处于这种僵持状态时，若无外力作用，它们都将无法再向前推进。 因此我们举个例子来描述，如果此时有一个线程A，按照先锁a再获得锁b的的顺序获得锁，而在此同时又有另外一个线程B，按照先锁b再锁a的顺序获得锁。如下图所示：

[2] 产生死锁的原因？

可归结为如下两点：

a. 竞争资源

系统中的资源可以分为两类：

1. 可剥夺资源，是指某进程在获得这类资源后，该资源可以再被其他进程或系统剥夺，CPU和主存均属于可剥夺性资源；
2. 另一类资源是不可剥夺资源，当系统把这类资源分配给某进程后，再不能强行收回，只能在进程用完后自行释放，如磁带机、打印机等。
   产生死锁中的竞争资源之一指的是竞争不可剥夺资源（例如：系统中只有一台打印机，可供进程P1使用，假定P1已占用了打印机，若P2继续要求打印机打印将阻塞）
   产生死锁中的竞争资源另外一种资源指的是竞争临时资源（临时资源包括硬件中断、信号、消息、缓冲区内的消息等），通常消息通信顺序进行不当，则会产生死锁

b. 进程间推进顺序非法

若P1保持了资源R1,P2保持了资源R2，系统处于不安全状态，因为这两个进程再向前推进，便可能发生死锁
例如，当P1运行到P1：Request（R2）时，将因R2已被P2占用而阻塞；当P2运行到P2：Request（R1）时，也将因R1已被P1占用而阻塞，于是发生进程死锁

[3] 死锁的产生必须满足的四个必要条件

死锁是最常见的一种线程活性故障。死锁的起因是多个线程之间相互等待对方而被永远暂停（处于Runnable）。死锁的产生必须满足如下四个必要条件：

• 资源互斥：一个资源每次只能被一个线程使用。即进程要求对所分配的资源进行排它性控制，即在一段时间内某资源仅为一进程所占用。
• 请求与保持条件：一个线程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放，
• 不剥夺条件：线程已经获得的资源，在未使用完之前，不能强行剥夺，即只能由获得该资源的进程自己来释放（只能是主动释放)。
• 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

总结：死锁只能发生在像 synchronized 的同步代码块中，一个资源只能被一个线程占用。而且占用资源的锁不会因为请求其他资源失败而主动释放当前锁，已经持有的锁也不能被其他进程剥夺。另外还需要形成一个循环等待的结构，否则它申请的锁有可能被释放。

[4] 解决死锁的基本方法

1. 预防死锁----- 确保系统永远不会进入死锁状态

产生死锁需要四个条件，那么，只要这四个条件中至少有一个条件得不到满足，就不可能发生死锁了。由于互斥条件是非共享资源所必须的，不仅不能改变，还应加以保证，所以，主要是破坏产生死锁的其他三个条件。
a、破坏“占有且等待”条件
方法1：所有的进程在开始运行之前，必须一次性地申请其在整个运行过程中所需要的全部资源。
优点：简单易实施且安全。
缺点：因为某项资源不满足，进程无法启动，而其他已经满足了的资源也不会得到利用，严重降低了资源的利用率，造成资源浪费。
使进程经常发生饥饿现象。
方法2：该方法是对第一种方法的改进，允许进程只获得运行初期需要的资源，便开始运行，在运行过程中逐步释放掉分配到的已经使用完毕的资源，然后再去请求新的资源。这样的话，资源的利用率会得到提高，也会减少进程的饥饿问题。
b、破坏“不可抢占”条件
当一个已经持有了一些资源的进程在提出新的资源请求没有得到满足时，它必须释放已经保持的所有资源，待以后需要使用的时候再重新申请。这就意味着进程已占有的资源会被短暂地释放或者说是被抢占了。
该种方法实现起来比较复杂，且代价也比较大。释放已经保持的资源很有可能会导致进程之前的工作实效等，反复的申请和释放资源会导致进程的执行被无限的推迟，这不仅会延长进程的周转周期，还会影响系统的吞吐量。
c、破坏“循环等待”条件
可以通过定义资源类型的线性顺序来预防，可将每个资源编号，当一个进程占有编号为i的资源时，那么它下一次申请资源只能申请编号大于i的资源。如图所示：

这样虽然避免了循环等待，但是这种方法是比较低效的，资源的执行速度回变慢，并且可能在没有必要的情况下拒绝资源的访问，比如说，进程c想要申请资源1，如果资源1并没有被其他进程占有，此时将它分配个进程c是没有问题的，但是为了避免产生循环等待，该申请会被拒绝，这样就降低了资源的利用率
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原文链接：https://blog.****.net/guaiguaihenguai/article/details/80303835

2. 避免死锁----- 在使用前进行判断，只允许不会产生死锁的进程申请资源

预防死锁的几种策略，会严重地损害系统性能。因此在避免死锁时，要施加较弱的限制，从而获得 较满意的系统性能。由于在避免死锁的策略中，允许进程动态地申请资源。因而，系统在进行资源分配之前预先计算资源分配的安全性。若此次分配不会导致系统进入不安全状态，则将资源分配给进程；否则，进程等待。其中最具有代表性的避免死锁算法是银行家算法。

死锁避免是利用额外的检验信息，在分配资源时判断是否会出现死锁，只在不会出现死锁的情况下才分配资源。
两种避免办法：
1、如果一个进程的请求会导致死锁，则不启动该进程
2、如果一个进程的增加资源请求会导致死锁 ，则拒绝该申请。

银行家算法：首先需要定义状态和安全状态的概念。系统的状态是当前给进程分配的资源情况。因此，状态包含两个向量Resource（系统中每种资源的总量）和Available（未分配给进程的每种资源的总量）及两个矩阵Claim（表示进程对资源的需求）和Allocation（表示当前分配给进程的资源）。安全状态是指至少有一个资源分配序列不会导致死锁。当进程请求一组资源时，假设同意该请求，从而改变了系统的状态，然后确定其结果是否还处于安全状态。如果是，同意这个请求；如果不是，阻塞该进程知道同意该请求后系统状态仍然是安全的。

a、银行家算法的相关数据结构
可利用资源向量Available：用于表示系统里边各种资源剩余的数目。由于系统里边拥有的资源通常都是有很多种（假设有m种），所以，我们用一个有m个元素的数组来表示各种资源。数组元素的初始值为系统里边所配置的该类全部可用资源的数目，其数值随着该类资源的分配与回收动态地改变。
最大需求矩阵Max：用于表示各个进程对各种资源的额最大需求量。进程可能会有很多个（假设为n个），那么，我们就可以用一个nxm的矩阵来表示各个进程多各种资源的最大需求量
分配矩阵Allocation：顾名思义，就是用于表示已经分配给各个进程的各种资源的数目。也是一个nxm的矩阵。
需求矩阵Need：用于表示进程仍然需要的资源数目，用一个nxm的矩阵表示。系统可能没法一下就满足了某个进程的最大需求（通常进程对资源的最大需求也是只它在整个运行周期中需要的资源数目，并不是每一个时刻都需要这么多），于是，为了进程的执行能够向前推进，通常，系统会先分配个进程一部分资源保证进程能够执行起来。那么，进程的最大需求减去已经分配给进程的数目，就得到了进程仍然需要的资源数目了。

银行家算法通过对进程需求、占有和系统拥有资源的实时统计，确保系统在分配给进程资源不会造成死锁才会给与分配。
死锁避免的优点：不需要死锁预防中的抢占和重新运行进程，并且比死锁预防的限制要少。
死锁避免的限制：
必须事先声明每个进程请求的最大资源量
考虑的进程必须无关的，也就是说，它们执行的顺序必须没有任何同步要求的限制
分配的资源数目必须是固定的。
在占有资源时，进程不能退出
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原文链接：https://blog.****.net/guaiguaihenguai/article/details/80303835

[拓展] 如何避免死锁的发生？

• **粗锁法：**使用一个粒度粗的锁来消除“请求与保持条件”，缺点是会明显降低程序的并发性能并且会导致资源的浪费。
• 锁排序法：（必须回答出来的点）指定获取锁的顺序，比如某个线程只有获得A锁和B锁，才能对某资源进行操作

[拓展] 在多线程条件下，如何避免死锁？

通过指定锁的获取顺序，比如规定，只有获得A锁的线程才有资格获取B锁，按顺序获取锁就可以避免死锁。这通常被认为是解决死锁很好的一种方法。

• 使用显式锁中的**ReentrantLock.try(long,TimeUnit)**来申请锁。

3. 检测死锁

首先为每个进程和每个资源指定一个唯一的号码；

然后建立资源分配表和进程等待表

4. 解除死锁

当发现有进程死锁后，便应立即把它从死锁状态中解脱出来，常采用的方法有：

剥夺资源：从其它进程剥夺足够数量的资源给死锁进程，以解除死锁状态；

撤消进程：可以直接撤消死锁进程或撤消代价最小的进程，直至有足够的资源可用，死锁状态.消除为止；所谓代价是指优先级、运行代价、进程的重要性和价值等。
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原文链接：https://blog.****.net/Beyond_2016/article/details/81363361

[5] 说下对悲观锁和乐观锁的理解？

• 悲观锁

总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁（共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程）。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如：行锁、表锁、读锁、写锁等，都是在做操作之前先上锁。Java 中 synchronized 和 ReentrantLock 等独占锁就是悲观锁思想的实现。

• 乐观锁

总是假设最好的情况，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号机制和 CAS 算法实现。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库提供的类似于 write_condition 机制，其实都是提供的乐观锁。在 Java 中 java.util.concurrent.atomic 包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式 CAS 实现的。

• 两种锁的使用场景

从上面对两种锁的介绍，我们知道两种锁各有优缺点，不可认为一种好于另一种，像乐观锁适用于写比较少的情况下（多读场景），即冲突真的很少发生的时候，这样可以省去了锁的开销，加大了系统的整个吞吐量。但如果是多写的情况，一般会经常产生冲突，这就会导致上层应用会不断的进行 retry，这样反倒是降低了性能，所以一般多写的场景下用悲观锁就比较合适。

[6] 乐观锁常见的两种实现方式是什么？

乐观锁一般会使用版本号机制或者 CAS 算法实现。

• 版本号机制

  一般是在数据表中加上一个数据版本号 version 字段，表示数据被修改的次数，当数据被修改时，version 值会加 1。当线程 A 要更新数据值时，在读取数据的同时也会读取 version 值，在提交更新时，若刚才读取到的 version 值为当前数据库中的 version 值相等时才更新，否则重试更新操作，直到更新成功。

• CAS 算法

  即 compare and swap（比较与交换），是一种有名的无锁算法。无锁编程，即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。CAS 算法涉及到三个操作数：

1、需要读写的内存值 V

2、进行比较的值 A

3、拟写入的新值 B

当且仅当 V 的值等于 A 时，CAS 通过原子方式用新值 B 来更新 V 的值，否则不会执行任何操作（比较和替换是一个原子操作）。一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。