前言

Java 死鎖是多線程編程中一種經(jīng)典且棘手的問題，它會(huì)導(dǎo)致多個(gè)線程相互等待對(duì)方持有的資源而永久阻塞。理解其產(chǎn)生原因和預(yù)防措施至關(guān)重要。

一、 Java 死鎖是如何產(chǎn)生的？

死鎖的發(fā)生需要同時(shí)滿足以下四個(gè)必要條件（缺一不可）：

1. 互斥使用 (Mutual Exclusion):

   • 資源（如對(duì)象鎖、數(shù)據(jù)庫(kù)連接、文件句柄等）一次只能被一個(gè)線程獨(dú)占使用。
   • synchronized 關(guān)鍵字或 Lock 對(duì)象實(shí)現(xiàn)的鎖機(jī)制本質(zhì)上就提供了這種互斥性。

2. 持有并等待 (Hold and Wait / Partial Allocation):

   • 一個(gè)線程在持有至少一個(gè)資源（鎖）的同時(shí)，又去申請(qǐng)獲取另一個(gè)線程當(dāng)前正持有的資源（鎖）。

3. 不可剝奪 (No Preemption):

   • 一個(gè)線程已經(jīng)獲得的資源（鎖）在它主動(dòng)釋放之前，不能被其他線程強(qiáng)行剝奪。
   • 在 Java 中，synchronized 鎖不能被強(qiáng)制中斷釋放；Lock.lock() 獲取的鎖也不能被其他線程強(qiáng)制解鎖（除非使用 Lock.lockInterruptibly() 并中斷線程，但這通常也不是“強(qiáng)行剝奪”的含義）。

4. 循環(huán)等待 (Circular Wait):

   • 存在一組等待的線程 {T1, T2, ..., Tn}，其中：
     • T1 等待 T2 持有的資源，
     • T2 等待 T3 持有的資源，
     • …,
     • Tn 等待 T1 持有的資源。
   • 所有線程形成一個(gè)等待資源的環(huán)。

經(jīng)典死鎖場(chǎng)景示例（哲學(xué)家就餐問題簡(jiǎn)化版）

public class DeadlockExample {

    static final Object lockA = new Object();
    static final Object lockB = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            synchronized (lockA) { // 線程1獲取lockA
                System.out.println("Thread1 acquired lockA");
                try {
                    Thread.sleep(100); // 模擬操作，增加死鎖發(fā)生概率
                } catch (InterruptedException e) {}
                synchronized (lockB) { // 線程1嘗試獲取lockB（此時(shí)可能被線程2持有）
                    System.out.println("Thread1 acquired lockB");
                }
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            synchronized (lockB) { // 線程2獲取lockB
                System.out.println("Thread2 acquired lockB");
                try {
                    Thread.sleep(100); // 模擬操作，增加死鎖發(fā)生概率
                } catch (InterruptedException e) {}
                synchronized (lockA) { // 線程2嘗試獲取lockA（此時(shí)被線程1持有）
                    System.out.println("Thread2 acquired lockA");
                }
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

分析死鎖條件滿足情況

1. 互斥: lockA 和 lockB 都是 synchronized 使用的對(duì)象，具有互斥性。
2. 持有并等待:
   • 線程1 持有 lockA，同時(shí)等待獲取 lockB。
   • 線程2 持有 lockB，同時(shí)等待獲取 lockA。
3. 不可剝奪: Java synchronized 鎖不能被其他線程強(qiáng)行剝奪。
4. 循環(huán)等待:
   • 線程1 在等待線程2 釋放的 lockB。
   • 線程2 在等待線程1 釋放的 lockA。
   • 形成了一個(gè)閉環(huán)：線程1 -> 等待lockB(被線程2持有) -> 線程2 -> 等待lockA(被線程1持有) -> 線程1。

二、 如何防止 Java 死鎖？

防止死鎖的核心策略就是破壞上述四個(gè)必要條件中的至少一個(gè)。以下是常用的方法：

1. 破壞"循環(huán)等待"條件 - 鎖順序化 (Lock Ordering)

• 原理： 強(qiáng)制所有線程以全局一致的固定順序獲取鎖。
• 實(shí)現(xiàn)：
  • 為所有需要獲取的鎖定義一個(gè)全局的獲取順序（例如，按對(duì)象的 hashCode、按一個(gè)預(yù)定義的唯一ID、按名稱排序等）。
  • 在任何需要獲取多個(gè)鎖的地方，都嚴(yán)格按照這個(gè)全局順序去申請(qǐng)鎖。
• 效果： 從根本上消除了循環(huán)等待的可能性。如果一個(gè)線程需要鎖 L1 和 L2，并且順序規(guī)定必須先 L1 后 L2，那么所有線程都會(huì)按這個(gè)順序申請(qǐng)。這樣就不會(huì)出現(xiàn)線程1 持 L1 等 L2，而線程2 持 L2 等 L1 的循環(huán)情況。
• 示例修改： 修改上面的例子，強(qiáng)制兩個(gè)線程都先獲取 lockA，再獲取 lockB。

Thread thread1 = new Thread(() -> {
    synchronized (lockA) {
        System.out.println("Thread1 acquired lockA");
        try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
        synchronized (lockB) { // 總是先A后B
            System.out.println("Thread1 acquired lockB");
        }
    }
});

Thread thread2 = new Thread(() -> {
    synchronized (lockA) { // 線程2也先嘗試獲取lockA
        System.out.println("Thread2 acquired lockA");
        try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) {}
        synchronized (lockB) { // 再獲取lockB
            System.out.println("Thread2 acquired lockB");
        }
    }
});

• 注意： 嚴(yán)格遵守順序是關(guān)鍵。有時(shí)確定一個(gè)一致的全局順序可能比較復(fù)雜（尤其是鎖是動(dòng)態(tài)創(chuàng)建或數(shù)量不確定時(shí)），但這是最推薦、最有效的預(yù)防策略之一。可以使用 System.identityHashCode(Object) 作為最后手段來排序，但要注意哈希沖突。

2. 破壞"持有并等待"條件 - 一次性申請(qǐng)所有鎖 (Atomically Acquire All Locks)

• 原理： 一個(gè)線程在開始執(zhí)行任務(wù)前，一次性申請(qǐng)它所需的所有鎖。如果無法一次性獲取全部鎖，它就不持有任何已獲得的鎖（全部釋放），等待一段時(shí)間再重試或采用其他策略。
• 實(shí)現(xiàn)：
  • 設(shè)計(jì)一個(gè)獲取多個(gè)鎖的機(jī)制（例如，一個(gè)包含所有需要鎖的集合）。
  • 嘗試一次性獲取集合中所有的鎖（通常使用 tryLock）。
  • 如果成功獲取所有鎖，執(zhí)行任務(wù)。
  • 如果獲取任何一個(gè)鎖失敗（超時(shí)或立即失?。?，則釋放它已經(jīng)成功獲取的所有鎖，然后進(jìn)行回退（等待、重試、放棄任務(wù)等）。
• 效果： 線程要么同時(shí)持有所有需要的鎖（不等待），要么不持有任何鎖（不保持部分鎖去等待其他鎖），破壞了“持有并等待”。
• 工具： Java 的 Lock 接口（特別是 ReentrantLock）提供了 tryLock() 方法（可帶超時(shí)）來實(shí)現(xiàn)這種細(xì)粒度控制，這比 synchronized 更靈活。
• 示例修改 (使用 ReentrantLock 和 tryLock):

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class DeadlockPrevention {

    static Lock lockA = new ReentrantLock();
    static Lock lockB = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> acquireLocksAndWork(lockA, lockB, "Thread1"));
        Thread thread2 = new Thread(() -> acquireLocksAndWork(lockB, lockA, "Thread2")); // 注意順序不同，但方法內(nèi)部處理
        thread1.start();
        thread2.start();
    }

    public static void acquireLocksAndWork(Lock firstLock, Lock secondLock, String threadName) {
        while (true) {
            boolean gotFirst = false;
            boolean gotSecond = false;
            try {
                // 嘗試獲取第一個(gè)鎖（帶超時(shí)避免無限等待）
                gotFirst = firstLock.tryLock(100, TimeUnit.MILLISECONDS);
                if (gotFirst) {
                    System.out.println(threadName + " acquired first lock");
                    // 嘗試獲取第二個(gè)鎖（帶超時(shí)）
                    gotSecond = secondLock.tryLock(100, TimeUnit.MILLISECONDS);
                    if (gotSecond) {
                        System.out.println(threadName + " acquired second lock");
                        // 成功獲取兩個(gè)鎖，執(zhí)行工作
                        System.out.println(threadName + " doing work...");
                        Thread.sleep(500); // 模擬工作
                        break; // 工作完成，跳出循環(huán)
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                // 無論如何，在退出前確保釋放已獲得的鎖
                if (gotSecond) secondLock.unlock();
                if (gotFirst) firstLock.unlock();
            }
            // 如果沒能一次性獲得兩個(gè)鎖，等待隨機(jī)時(shí)間后重試，避免活鎖
            try {
                Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
            } catch (InterruptedException e) {}
        }
    }
}

3. 避免不必要的鎖 / 縮小鎖的范圍

• 原理： 減少鎖的持有時(shí)間和鎖的數(shù)量，從而降低線程在持有鎖期間去請(qǐng)求另一個(gè)鎖的機(jī)會(huì)（破壞持有并等待的機(jī)會(huì)），也減少了形成循環(huán)等待的可能性。
• 實(shí)現(xiàn)：
  • 只鎖必要的代碼塊： 盡可能縮小 synchronized 塊的范圍，只保護(hù)真正需要互斥訪問的共享數(shù)據(jù)操作。不要在鎖內(nèi)執(zhí)行耗時(shí)操作（如IO）。
  • 使用線程安全類： 優(yōu)先使用 ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList, AtomicInteger 等并發(fā)容器和原子類，它們內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了高效的并發(fā)控制，減少了你顯式加鎖的需要。
  • 不可變對(duì)象： 使用不可變對(duì)象(final 字段，構(gòu)造后狀態(tài)不變)。訪問不可變對(duì)象不需要同步。
  • 線程本地存儲(chǔ)： 使用 ThreadLocal 為每個(gè)線程創(chuàng)建變量的副本，避免共享。
• 效果： 雖然不是直接破壞必要條件，但這是良好的并發(fā)編程實(shí)踐，能顯著降低死鎖發(fā)生的概率和影響范圍。

4. 使用鎖超時(shí) (Lock Timeout) - 破壞"不可剝奪"的間接效果

• 原理： 在嘗試獲取鎖時(shí)，不無限期等待，而是設(shè)置一個(gè)超時(shí)時(shí)間。如果超時(shí)還沒獲取到，則放棄當(dāng)前持有的所有鎖（如果需要），釋放資源，進(jìn)行回退（重試、記錄日志、失敗等）。
• 實(shí)現(xiàn)： 主要依賴 Lock 接口的 tryLock(long time, TimeUnit unit) 方法。synchronized 無法直接實(shí)現(xiàn)超時(shí)。
• 效果： 它本身并不直接強(qiáng)行剝奪一個(gè)線程已持有的鎖（不破壞“不可剝奪”的本意），但它允許一個(gè)線程主動(dòng)放棄等待（等待超時(shí)），從而打破了死鎖環(huán)中等待的僵局。它破壞了死鎖發(fā)生的“永久阻塞”特性，給了系統(tǒng)恢復(fù)的機(jī)會(huì)。結(jié)合第2點(diǎn)（釋放已持有鎖），效果更好。
• 示例： 見上面第2點(diǎn)（一次性申請(qǐng)所有鎖）的代碼示例，其中就使用了 tryLock 帶超時(shí)。

5. 死鎖檢測(cè)與恢復(fù)

• 原理： 不主動(dòng)預(yù)防死鎖，而是允許死鎖發(fā)生，但系統(tǒng)定期檢測(cè)死鎖的存在（如通過構(gòu)建資源分配圖并檢測(cè)環(huán)），一旦檢測(cè)到，采取強(qiáng)制措施打破死鎖（例如：終止一個(gè)或多個(gè)死鎖線程、剝奪其資源（在Java中很難安全實(shí)現(xiàn)））。
• Java 實(shí)現(xiàn):
  • 檢測(cè)： Java 沒有內(nèi)置的通用死鎖檢測(cè)API。但可以通過 ThreadMXBean 的 findDeadlockedThreads() 或 findMonitorDeadlockedThreads() 方法來檢測(cè)由 synchronized 或 ownable synchronizers (如 ReentrantLock) 引起的死鎖。JMX 工具（如 JConsole, VisualVM）通常集成了這個(gè)功能。
  • 恢復(fù)： Java 本身沒有提供安全的、標(biāo)準(zhǔn)的線程終止或資源剝奪機(jī)制來恢復(fù)死鎖。通常檢測(cè)到死鎖后，只能記錄日志、告警，然后人工介入重啟應(yīng)用或相關(guān)服務(wù)。強(qiáng)行終止線程 (Thread.stop()) 是極其危險(xiǎn)且已被廢棄的方法，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致等嚴(yán)重問題，絕對(duì)不要使用。
• 應(yīng)用場(chǎng)景： 更適合框架、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)等底層系統(tǒng)或需要高可靠性的復(fù)雜系統(tǒng)，它們有更完善的資源管理和恢復(fù)機(jī)制。普通應(yīng)用開發(fā)更應(yīng)注重預(yù)防。

總結(jié)與建議

1. 首選鎖順序化： 在設(shè)計(jì)多鎖交互時(shí)，強(qiáng)制全局一致的鎖獲取順序是最有效且推薦的預(yù)防策略。
2. 善用 Lock 和 tryLock： 當(dāng)鎖順序難以嚴(yán)格保證或需要更靈活控制時(shí)，使用 ReentrantLock 及其 tryLock（帶超時(shí)）方法，實(shí)現(xiàn)一次性申請(qǐng)所有鎖或鎖超時(shí)機(jī)制。務(wù)必在 finally 塊中釋放鎖。
3. 良好的并發(fā)習(xí)慣：
   • 最小化鎖范圍（縮小 synchronized 塊）。
   • 優(yōu)先使用并發(fā)集合 (java.util.concurrent.*) 和原子變量。
   • 考慮不可變對(duì)象和線程本地存儲(chǔ) (ThreadLocal)。
4. 避免嵌套鎖： 盡量避免在一個(gè)鎖保護(hù)的代碼塊內(nèi)再去獲取另一個(gè)鎖。如果必須，嚴(yán)格應(yīng)用鎖順序化。
5. 超時(shí)機(jī)制： 在可能長(zhǎng)時(shí)間等待的地方（包括鎖獲取、條件等待 Condition.await、線程 join、Future.get 等）使用超時(shí)參數(shù)，防止永久阻塞，給系統(tǒng)提供回退的機(jī)會(huì)。
6. 工具檢測(cè)： 利用 JConsole、VisualVM、jstack 命令行工具等定期檢查或在線診斷潛在的死鎖。jstack -l <pid> 輸出的線程轉(zhuǎn)儲(chǔ)會(huì)明確標(biāo)識(shí)出找到的死鎖和涉及的線程/鎖。

記?。?/strong> 預(yù)防死鎖的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)和編碼階段就意識(shí)到風(fēng)險(xiǎn)并應(yīng)用上述策略。事后檢測(cè)和恢復(fù)往往是代價(jià)高昂的最后手段。??