如何避免线程发生死锁？

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如何避免线程发生死锁？

C语言中文网：如何避免线程发生死锁？

前面章节，我们详细介绍了实现线程同步的 4 种方法，分别是互斥锁、信号量、条件变量和读写锁。很多初学者在使用这些方法的过程中，经常会发生“线程一直被阻塞”的情况，我们习惯将这种情况称为“死锁”。

线程死锁指的是线程需要使用的公共资源一直被其它线程占用，导致该线程一直处于“阻塞”状态，无法继续执行。举个例子，用互斥锁实现线程同步的过程中，初学者经常忘记为“加锁”的线程及时“解锁”，这种情况下就会发生死锁（实例一）：

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#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
//创建并初始化互斥锁
pthread_mutex_t myMutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *thread_func(void *arg) {
    int islock;
    //为线程加锁   
    islock = pthread_mutex_lock(&myMutex);
    if (islock == 0) {
        printf("线程 %u 已加锁\n", pthread_self());
    }
    return 0;
}
int main() {
    int flag;
    int i;
    //创建 4 个线程
    pthread_t tids[4];
    for (i = 0; i < 4; i++)
    {
        flag = pthread_create(&tids[i], NULL, thread_func, NULL);
        if (flag == 0) {
            printf("线程 %u 创建完成\n",tids[i]);
        }
    }
    for(i = 0; i<4;i++){
        pthread_join(tids[i], NULL);
        printf("线程 %u 执行完成\n",tids[i]);
    }
    return 0;
}

假设程序编写在 thread.c 文件中，执行过程如下：

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[root@localhost ~]# gcc thread.c -o thread.exe -lpthread
[root@localhost ~]# ./thread.exe
线程 3135751936 创建完成
线程 3125262080 创建完成
线程 3114772224 创建完成
线程 3135751936 已加锁
线程 3104282368 创建完成
线程 3135751936 执行完成
                                           <-- 其它 3 个线程发生了死锁

程序中共创建了 4 个线程，它们都执行 thread_func() 函数，该函数内完成了对互斥锁的“加锁”操作，但没有调用 pthread_mutex_unlock() 函数对互斥锁“解锁”。通过程序的执行结果可以看到，4 个线程中仅有 1 个线程成功执行结束，其它 3 个线程一直处于等待互斥锁“解锁”的阻塞状态，发生了死锁。

再举一个例子（实例二）：

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#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_t mutex2;
void *func1(void *args)
{
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    printf("t1 成功申请 mytex 锁\n");
    sleep(2);
    pthread_mutex_lock(&mutex2);
    printf("t1 成功申请 mytex2 锁\n");
    printf("%u is running\n",pthread_self());
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    printf("------%u done\n",pthread_self());      
}
void *func2(void *args)
{ 
    pthread_mutex_lock(&mutex2);
    printf("t2 成功申请 mytex2 锁\n");
    sleep(2);
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    printf("t2 成功申请 mytex 锁\n");
    printf("%u is running\n",pthread_self()); 
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    printf("------%u done\n",pthread_self());
}
int main()
{
    int ret;
    pthread_t t1;
    pthread_t t2;
    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
    pthread_mutex_init(&mutex2,NULL);
    ret = pthread_create(&t1, NULL, func1, NULL);
    if(ret != 0){
           printf("create t1 fail\n");
    }
    ret = pthread_create(&t2, NULL, func2, NULL);
    if(ret != 0){
           printf("create t2 fail\n");
    }
  
    pthread_join(t1,NULL);
    pthread_join(t2,NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_mutex_destroy(&mutex2);
    return 0;
}

假设程序编写在 thread.c 文件中，执行过程如下：

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[root@localhost ~]# gcc thread.c -o thread.exe -lpthread
[root@localhost ~]# ./thread.exe
t1 成功申请 mytex 锁
t2 成功申请 mytex2 锁
                                          <-- t1 和 t2 都发生了死锁

程序中创建了 mutex 和 mutex2 两个互斥锁，线程 t1 和 t2 同时执行。从执行结果可以看到，t1 成功申请了 mutex 锁，t2 成功申请了 mutex2 锁，t1 一直等待 t2 释放 mutex2 锁，而 t2 一直等待 t1 释放 mutex 锁，两个线程都因等待对方释放资源产生了死锁。

总的来说，当进程空间中的某公共资源不允许多个线程同时访问时，某线程访问公共资源后不及时释放资源，就很可能产生线程死锁。

就是最好不要锁中锁？锁了一个还没释放就又锁一个？

上面例子把 pthread_mutex_lock 修改为 pthread_mutex_trylock 就可以了。

修改后：

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#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_t mutex2;
void *func1(void *args)
{
    pthread_mutex_trylock(&mutex);
    printf("t1 成功申请 mytex 锁\n");
    sleep(2);
    int islock = 0;
    islock = pthread_mutex_trylock(&mutex2);
    printf("t1 islock %d\n", islock);
    if (islock == 0){
        printf("t1 成功申请 mytex2 锁\n");
        printf("t1  %u is running\n",pthread_self());
        pthread_mutex_unlock(&mutex2);
    }
    
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    printf("------t1  %u done\n",pthread_self());      
}
void *func2(void *args)
{ 
    pthread_mutex_trylock(&mutex2);
    printf("t2 成功申请 mytex2 锁\n");
    sleep(3);
    int islock = 0;
    islock = pthread_mutex_trylock(&mutex);
    printf("t2 islock %d\n", islock);
    if (islock == 0){
        printf("t2 成功申请 mytex 锁\n");
        printf("t2   %u is running\n",pthread_self()); 
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    pthread_mutex_unlock(&mutex2);
    
    printf("------t2  %u done\n",pthread_self());
}
int main()
{
    int ret;
    pthread_t t1;
    pthread_t t2;
    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
    pthread_mutex_init(&mutex2,NULL);
    ret = pthread_create(&t1, NULL, func1, NULL);
    if(ret != 0){
           printf("create t1 fail\n");
    }
    ret = pthread_create(&t2, NULL, func2, NULL);
    if(ret != 0){
           printf("create t2 fail\n");
    }
  
    pthread_join(t1,NULL);
    pthread_join(t2,NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_mutex_destroy(&mutex2);
    return 0;
}

避免线程死锁的几点建议

  1. 使用互斥锁、信号量、条件变量和读写锁实现线程同步时，要注意以下几点：
    • 占用互斥锁的线程，执行完成前必须及时解锁；
    • 通过 sem_wait() 函数占用信号量资源的线程，执行完成前必须调用 sem_post() 函数及时释放；
    • 当线程因 pthread_cond_wait() 函数被阻塞时，一定要保证有其它线程唤醒此线程；
    • 无论线程占用的是读锁还是写锁，都必须及时解锁。

注意，函数中可以设置多种结束执行的路径，但无论线程选择哪个路径结束执行，都要保证能够将占用的资源释放掉。

  1. POSIX 标准中，很多阻塞线程执行的函数都提供有 tryxxx() 和 timexxx() 两个版本，例如 pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_trylock()、sem_wait() 和 sem_trywait()、pthread_cond_wait() 和 pthread_cond_timedwait() 等，它们可以完成同样的功能，但 tryxxx() 版本的函数不会阻塞线程，timexxx() 版本的函数不会一直阻塞线程。

    实际开发中，建议您==优先选择 tryxxx() 或者 timexxx() 版本的函数，可以大大降低线程产生死锁的概率。==

  2. ==多线程程序中，多个线程请求资源的顺序最好保持一致==。实例二中，线程 t1 先请求 mutex 锁然后再请求 mutex2 锁，而 t2 则是先请求 mutex2 锁然后再请求 mutex 锁，这就是典型的因“请求资源顺序不一致”导致发生了线程死锁的情况。