死鎖 (deallocks)： 是指兩個或兩個以上的進程（線程）在執(zhí)行過程中，因爭奪資源而造成的一種互相等待的現(xiàn)象，若無外力作用，它們都將無法推進下去。此時稱系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)或系統(tǒng)產(chǎn)生了死鎖，這些永遠在互相等待的進程（線程）稱為死鎖進程（線程）。 由于資源占用是互斥的，當(dāng)某個進程提出申請資源后，使得有關(guān)進程（線程）在無外力協(xié)助下，永遠分配不到必需的資源而無法繼續(xù)運行，這就產(chǎn)生了一種特殊現(xiàn)象死鎖。
一種交叉持鎖死鎖的情形，此時執(zhí)行程序中兩個或多個線程發(fā)生永久堵塞（等待），每個線程都在等待被其它線程占用并堵塞了的資源。例如，如果線程 1 鎖住了記錄 A 并等待記錄 B，而線程 2 鎖住了記錄 B 并等待記錄 A，這樣兩個線程就發(fā)生了死鎖現(xiàn)象。在計算機系統(tǒng)中 , 如果系統(tǒng)的資源分配策略不當(dāng)，更常見的可能是程序員寫的程序有錯誤等，則會導(dǎo)致進程因競爭資源不當(dāng)而產(chǎn)生死鎖的現(xiàn)象。
產(chǎn)生死鎖的四個必要條件
（1） 互斥條件：一個資源每次只能被一個進程（線程）使用。
（2） 請求與保持條件：一個進程（線程）因請求資源而阻塞時，對已獲得的資源保持不放。
（3） 不剝奪條件 : 此進程（線程）已獲得的資源，在末使用完之前，不能強行剝奪。
（4） 循環(huán)等待條件 : 多個進程（線程）之間形成一種頭尾相接的循環(huán)等待資源關(guān)系。
圖 1. 交叉持鎖的死鎖示意圖：
注釋：在執(zhí)行 func2 和 func4 之后，子線程 1 獲得了鎖 A，正試圖獲得鎖 B，但是子線程 2 此時獲得了鎖 B，正試圖獲得鎖 A，所以子線程 1 和子線程 2 將沒有辦法得到鎖 A 和鎖 B，因為它們各自被對方占有，永遠不會釋放，所以發(fā)生了死鎖的現(xiàn)象。
使用 pstack 和 gdb 工具對死鎖程序進行分析
pstack 在 Linux 平臺上的簡單介紹
pstack 是 Linux（比如 Red Hat Linux 系統(tǒng)、Ubuntu Linux 系統(tǒng)等）下一個很有用的工具，它的功能是打印輸出此進程的堆棧信息。可以輸出所有線程的調(diào)用關(guān)系棧。
gdb 在 Linux 平臺上的簡單介紹
GDB 是 GNU 開源組織發(fā)布的一個強大的 UNIX 下的程序調(diào)試工具。Linux 系統(tǒng)中包含了 GNU 調(diào)試程序 gdb，它是一個用來調(diào)試 C 和 C++ 程序的調(diào)試器。可以使程序開發(fā)者在程序運行時觀察程序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)存的使用情況 .
gdb 所提供的一些主要功能如下所示：
1 運行程序，設(shè)置能影響程序運行的參數(shù)和環(huán)境 ;
2 控制程序在指定的條件下停止運行；
3 當(dāng)程序停止時，可以檢查程序的狀態(tài)；
4 當(dāng)程序 crash 時，可以檢查 core 文件；
5 可以修改程序的錯誤，并重新運行程序；
6 可以動態(tài)監(jiān)視程序中變量的值；
7 可以單步執(zhí)行代碼，觀察程序的運行狀態(tài)。
gdb 程序調(diào)試的對象是可執(zhí)行文件或者進程，而不是程序的源代碼文件。然而，并不是所有的可執(zhí)行文件都可以用 gdb 調(diào)試。如果要讓產(chǎn)生的可執(zhí)行文件可以用來調(diào)試，需在執(zhí)行 g++（gcc）指令編譯程序時，加上 -g 參數(shù)，指定程序在編譯時包含調(diào)試信息。調(diào)試信息包含程序里的每個變量的類型和在可執(zhí)行文件里的地址映射以及源代碼的行號。gdb 利用這些信息使源代碼和機器碼相關(guān)聯(lián)。gdb 的基本命令較多，不做詳細介紹，大家如果需要進一步了解，請參見 gdb 手冊。
清單 1. 測試程序
#include
#include
#include
pthread_mutex_t mutex1 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex2 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex3 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex4 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
static int sequence1 = 0;
static int sequence2 = 0;
int func1()
{
pthread_mutex_lock(mutex1);
++sequence1;
sleep(1);
pthread_mutex_lock(mutex2);
++sequence2;
pthread_mutex_unlock(mutex2);
pthread_mutex_unlock(mutex1);
return sequence1;
}
int func2()
{
pthread_mutex_lock(mutex2);
++sequence2;
sleep(1);
pthread_mutex_lock(mutex1);
++sequence1;
pthread_mutex_unlock(mutex1);
pthread_mutex_unlock(mutex2);
return sequence2;
}
void* thread1(void* arg)
{
while (1)
{
int iRetValue = func1();
if (iRetValue == 100000)
{
pthread_exit(NULL);
}
}
}
void* thread2(void* arg)
{
while (1)
{
int iRetValue = func2();
if (iRetValue == 100000)
{
pthread_exit(NULL);
}
}
}
void* thread3(void* arg)
{
while (1)
{
sleep(1);
char szBuf[128];
memset(szBuf, 0, sizeof(szBuf));
strcpy(szBuf, "thread3");
}
}
void* thread4(void* arg)
{
while (1)
{
sleep(1);
char szBuf[128];
memset(szBuf, 0, sizeof(szBuf));
strcpy(szBuf, "thread3");
}
}
int main()
{
pthread_t tid[4];
if (pthread_create(tid[0], NULL, thread1, NULL) != 0)
{
_exit(1);
}
if (pthread_create(tid[1], NULL, thread2, NULL) != 0)
{
_exit(1);
}
if (pthread_create(tid[2], NULL, thread3, NULL) != 0)
{
_exit(1);
}
if (pthread_create(tid[3], NULL, thread4, NULL) != 0)
{
_exit(1);
}
sleep(5);
//pthread_cancel(tid[0]);
pthread_join(tid[0], NULL);
pthread_join(tid[1], NULL);
pthread_join(tid[2], NULL);
pthread_join(tid[3], NULL);
pthread_mutex_destroy(mutex1);
pthread_mutex_destroy(mutex2);
pthread_mutex_destroy(mutex3);
pthread_mutex_destroy(mutex4);
return 0;
}
清單 2. 編譯測試程序
[dyu@xilinuxbldsrv purify]$ g++ -g lock.cpp -o lock -lpthread
清單 3. 查找測試程序的進程號
[dyu@xilinuxbldsrv purify]$ ps -ef|grep lock
dyu 6721 5751 0 15:21 pts/3 00:00:00 ./lock
清單 4. 對死鎖進程第一次執(zhí)行 pstack（pstack –進程號）的輸出結(jié)果
[dyu@xilinuxbldsrv purify]$ pstack 6721
Thread 5 (Thread 0x41e37940 (LWP 6722)):
#0 0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
#1 0x0000003d1a808e1a in _L_lock_1034 () from /lib64/libpthread.so.0
#2 0x0000003d1a808cdc in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
#3 0x0000000000400a9b in func1() ()
#4 0x0000000000400ad7 in thread1(void*) ()
#5 0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#6 0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6
Thread 4 (Thread 0x42838940 (LWP 6723)):
#0 0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
#1 0x0000003d1a808e1a in _L_lock_1034 () from /lib64/libpthread.so.0
#2 0x0000003d1a808cdc in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
#3 0x0000000000400a17 in func2() ()
#4 0x0000000000400a53 in thread2(void*) ()
#5 0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#6 0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6
Thread 3 (Thread 0x43239940 (LWP 6724)):
#0 0x0000003d19c9a541 in nanosleep () from /lib64/libc.so.6
#1 0x0000003d19c9a364 in sleep () from /lib64/libc.so.6
#2 0x00000000004009bc in thread3(void*) ()
#3 0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#4 0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6
Thread 2 (Thread 0x43c3a940 (LWP 6725)):
#0 0x0000003d19c9a541 in nanosleep () from /lib64/libc.so.6
#1 0x0000003d19c9a364 in sleep () from /lib64/libc.so.6
#2 0x0000000000400976 in thread4(void*) ()
#3 0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#4 0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6
Thread 1 (Thread 0x2b984ecabd90 (LWP 6721)):
#0 0x0000003d1a807b35 in pthread_join () from /lib64/libpthread.so.0
#1 0x0000000000400900 in main ()
清單 5. 對死鎖進程第二次執(zhí)行 pstack（pstack –進程號）的輸出結(jié)果
[dyu@xilinuxbldsrv purify]$ pstack 6721
Thread 5 (Thread 0x40bd6940 (LWP 6722)):
#0 0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
#1 0x0000003d1a808e1a in _L_lock_1034 () from /lib64/libpthread.so.0
#2 0x0000003d1a808cdc in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
#3 0x0000000000400a87 in func1() ()
#4 0x0000000000400ac3 in thread1(void*) ()
#5 0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#6 0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6
Thread 4 (Thread 0x415d7940 (LWP 6723)):
#0 0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
#1 0x0000003d1a808e1a in _L_lock_1034 () from /lib64/libpthread.so.0
#2 0x0000003d1a808cdc in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
#3 0x0000000000400a03 in func2() ()
#4 0x0000000000400a3f in thread2(void*) ()
#5 0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#6 0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6
Thread 3 (Thread 0x41fd8940 (LWP 6724)):
#0 0x0000003d19c7aec2 in memset () from /lib64/libc.so.6
#1 0x00000000004009be in thread3(void*) ()
#2 0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#3 0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6
Thread 2 (Thread 0x429d9940 (LWP 6725)):
#0 0x0000003d19c7ae0d in memset () from /lib64/libc.so.6
#1 0x0000000000400982 in thread4(void*) ()
#2 0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#3 0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6
Thread 1 (Thread 0x2af906fd9d90 (LWP 6721)):
#0 0x0000003d1a807b35 in pthread_join () from /lib64/libpthread.so.0
#1 0x0000000000400900 in main ()
連續(xù)多次查看這個進程的函數(shù)調(diào)用關(guān)系堆棧進行分析：當(dāng)進程吊死時，多次使用 pstack 查看進程的函數(shù)調(diào)用堆棧，死鎖線程將一直處于等鎖的狀態(tài)，對比多次的函數(shù)調(diào)用堆棧輸出結(jié)果，確定哪兩個線程（或者幾個線程）一直沒有變化且一直處于等鎖的狀態(tài)（可能存在兩個線程 一直沒有變化）。
輸出分析：
根據(jù)上面的輸出對比可以發(fā)現(xiàn)，線程 1 和線程 2 由第一次 pstack 輸出的處在 sleep 函數(shù)變化為第二次 pstack 輸出的處在 memset 函數(shù)。但是線程 4 和線程 5 一直處在等鎖狀態(tài)（pthread_mutex_lock），在連續(xù)兩次的 pstack 信息輸出中沒有變化，所以我們可以推測線程 4 和線程 5 發(fā)生了死鎖。
Gdb into thread輸出：
清單 6. 然后通過 gdb attach 到死鎖進程
(gdb) info thread
5 Thread 0x41e37940 (LWP 6722) 0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait ()
from /lib64/libpthread.so.0
4 Thread 0x42838940 (LWP 6723) 0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait ()
from /lib64/libpthread.so.0
3 Thread 0x43239940 (LWP 6724) 0x0000003d19c9a541 in nanosleep ()
from /lib64/libc.so.6
2 Thread 0x43c3a940 (LWP 6725) 0x0000003d19c9a541 in nanosleep ()
from /lib64/libc.so.6
* 1 Thread 0x2b984ecabd90 (LWP 6721) 0x0000003d1a807b35 in pthread_join ()
from /lib64/libpthread.so.0
清單 7. 切換到線程 5 的輸出
(gdb) thread 5
[Switching to thread 5 (Thread 0x41e37940 (LWP 6722))]#0 0x0000003d1a80d4c4 in
__lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
(gdb) where
#0 0x0000003d1a80d4c4 in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
#1 0x0000003d1a808e1a in _L_lock_1034 () from /lib64/libpthread.so.0
#2 0x0000003d1a808cdc in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
#3 0x0000000000400a9b in func1 () at lock.cpp:18
#4 0x0000000000400ad7 in thread1 (arg=0x0) at lock.cpp:43
#5 0x0000003d1a80673d in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0
#6 0x0000003d19cd40cd in clone () from /lib64/libc.so.6
清單 8. 線程 4 和線程 5 的輸出
(gdb) f 3
#3 0x0000000000400a9b in func1 () at lock.cpp:18
18 pthread_mutex_lock(mutex2);
(gdb) thread 4
[Switching to thread 4 (Thread 0x42838940 (LWP 6723))]#0 0x0000003d1a80d4c4 in
__lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
(gdb) f 3
#3 0x0000000000400a17 in func2 () at lock.cpp:31
31 pthread_mutex_lock(mutex1);
(gdb) p mutex1
$1 = {__data = {__lock = 2, __count = 0, __owner = 6722, __nusers = 1, __kind = 0,
__spins = 0, __list = {__prev = 0x0, __next = 0x0}},
__size = "\002\000\000\000\000\000\000\000B\032\000\000\001", '\000'
, __align = 2}
(gdb) p mutex3
$2 = {__data = {__lock = 0, __count = 0, __owner = 0, __nusers = 0,
__kind = 0, __spins = 0, __list = {__prev = 0x0, __next = 0x0}},
__size = '\000' , __align = 0}
(gdb) p mutex2
$3 = {__data = {__lock = 2, __count = 0, __owner = 6723, __nusers = 1,
__kind = 0, __spins = 0, __list = {__prev = 0x0, __next = 0x0}},
__size = "\002\000\000\000\000\000\000\000C\032\000\000\001", '\000'
, __align = 2}
(gdb)
從上面可以發(fā)現(xiàn)，線程 4 正試圖獲得鎖 mutex1，但是鎖 mutex1 已經(jīng)被 LWP 為 6722 的線程得到（__owner = 6722），線程 5 正試圖獲得鎖 mutex2，但是鎖 mutex2 已經(jīng)被 LWP 為 6723 的 得到（__owner = 6723），從 pstack 的輸出可以發(fā)現(xiàn)，LWP 6722 與線程 5 是對應(yīng)的，LWP 6723 與線程 4 是對應(yīng)的。所以我們可以得出， 線程 4 和線程 5 發(fā)生了交叉持鎖的死鎖現(xiàn)象。查看線程的源代碼發(fā)現(xiàn)，線程 4 和線程 5 同時使用 mutex1 和 mutex2，且申請順序不合理。
總結(jié)
本文簡單介紹了一種在 Linux 平臺下分析死鎖問題的方法，對一些死鎖問題的分析有一定作用。希望對大家有幫助。理解了死鎖的原因，尤其是產(chǎn)生死鎖的四個必要條件，就可以最大可能地避免、預(yù)防和解除死鎖。所以，在系統(tǒng)設(shè)計、進程調(diào)度等方面注意如何不讓這四個必要條件成立，如何確定資源的合理分配算法，避免進程永久占據(jù)系統(tǒng)資源。此外，也要防止進程在處于等待狀態(tài)的情況下占用資源 , 在系統(tǒng)運行過程中，對進程發(fā)出的每一個系統(tǒng)能夠滿足的資源申請進行動態(tài)檢查，并根據(jù)檢查結(jié)果決定是否分配資源，若分配后系統(tǒng)可能發(fā)生死鎖，則不予分配，否則予以分配。因此，對資源的分配要給予合理的規(guī)劃，使用有序資源分配法和銀行家算法等是避免死鎖的有效方法。
