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摘要:
        在對多線程并發的編程環境下,死鎖是我們經常碰到的和經常需要解決的問題。所謂死鎖,即:由于資源占用是互斥的,當某個線(進)程提出申請資源后,使得有關進程在無外力協助下,永遠分配不到必需的資源而無法繼續運行,這就產生了一種特殊現象死鎖,如下圖:

        線程#1在獲得Lock A后,需要獲得Lock B,而同時,線程#2在Lock B后,需要獲得Lock A。對于線程#1和#2,由于都不能獲得滿足的條件,而無法繼續執行,死鎖就形成了。
        死鎖是多線程并發編程的大難題,我們可以通過Log Trace、多線程編程輔助工具、IDE調試環境等手段進行調試、跟蹤。然而,另一個更難對付的問題是“假死鎖”(我在這里暫且稱為“假死鎖”,實在找不到什么更好的稱呼)。所謂的假死鎖,我給出的定義是:在有限的時間內的死鎖。與死鎖不同的是,其持續的時間是有限的,而大家都知道,死鎖持續的時間是無限的,如果碰到死鎖,程序接下來是什么都干不了了。而正是由于假死鎖的相對的持續時間,給我們編程人員會帶來更大的麻煩。可以想象得到,我們想通過某些工具來Trace這樣一個特定的時間段是非常困難的,更多的情況下,我們需要結合LOG進行合理的分析,使得問題得以解決。本文就假死鎖產生的條件,環境,以及解決的辦法做一個討論。
一、假死鎖的產生條件。

    考慮下面的例子(我只是給給出了偽代碼),假設我們系統中的線程個數是確定的,有限的。在本例中,系統總的線程數目是3。如下圖:

線程#1,#2,#3都可能被調度進入臨界區A,我們假設線程#1執行臨界區A時花費了10s的時間,而在這10s的時間里,線程#2與線程#3都處于等待的狀態。也就是說:在這個10s的時間里,系統是沒法響應任何的其他請求。我們稱之為10s的假死鎖。如果在這段時間里,系統需要一些關鍵的請求被執行,這些關鍵請求是需要real time地被處理,比如說是Timer事件,則后果是不堪設想的。(注意:我們的假定是系統中的線程只有#1,#2,#3)。
       以此,總結一下發生假死鎖的條件,如下:
--〉臨界區的代碼在集中的時間段內,可能被系統中的任意線程執行,完全由操作系統決定。
--〉臨界區的代碼在某些情況下,可能是很耗時的。(比如:其執行時間大于100ms,或者,甚至是秒級別的)
二、在Proactor(IOCP)中的假死鎖。
        在前面的文章中,我提到過在windows平臺上,Proactor設計模式是基于IOCP的。在這里,本文不會用過多的語言來闡述Proactor是怎樣的設計,重點放在Proactor的假死鎖及其一些解決的辦法。另外需要說明的是,我這里所說的Proactor,在技術層面上,等同于IOCP,我們也可以按照IOCP來理解我所闡釋的概念。
        我們都知道,IOCP是靠工作者線程來驅動的。工作者線程與一個完成端口對象相關聯,當IO 請求被投遞到完成端口對象時,這些線程為完成端口服務。需要說明的是,應該創建多少個線程來為完成端口服務,是你的應用設計來決定的(很重要的的一點是:在調用CreateIoCompletionPort時指定的并發線程的個數,和創建的工作者線程的個數是有區別的,詳細的技術細節,請參考其他資料)。但是總的來說,在你的系統交付運行后,工作者線程的線程數目是一個確定的值。其結構圖,大致如下:

         我們假定使用了線程數目為4的工作者線程來為完成端口服務,它們通過調用來GetQueuedCompletionStatus方法來從完成端口中獲取IO相關的packet,一旦獲得,它們都會回調業務邏輯層的代碼來進行相關的業務邏輯處理。到這里我們看到,假設,在業務邏輯層存在臨界互斥區,并且在某一個集中的時間段內,工作者線程都可能被調度執行該臨界互斥區,那么,假死鎖的條件基本形成,如果某一個線程在該區域花費的時間比較長,假死鎖就會發生。
        一般來說,解決這樣的問題的關鍵就是打破形成假死鎖的條件:
       第一、在回調函數里,盡量減少鎖的使用。
       第二、減量減少臨界互斥區的執行時間。對于一些慢速的操作尤其注意。比如:當你在臨界互斥區訪問慢速的IO操作時(打開文件,讀寫文件等),可能需要考慮Cache機制,通過使用內存來代替慢速的disk。
       第三、將臨界互斥區代碼委托給另外獨立的線程(或線程組)執行,代價是增加這些線程間的通訊。
       第四、通過使用流控等手段,避免讓所有的線程在集中的時間段內訪問該臨界互斥區。
三、結束語:

         事實上,類似這樣的問題,一旦存在,是很難發現和調試的。不過對于多線程的編程,我們都應該遵守以下的基本原則,以最大化的防止死鎖和假死鎖的發生。

         --> 盡量減少鎖的使用頻率和保護范圍。
         --> 當線程在互斥鎖的保護范圍內執行代碼時,應該:盡量減少對慢速IO設備的訪問(如:disk),盡量避免獲得其它互斥資源。
         --〉正確使用各種鎖,包括:原子操作原語,Read Lock, Write Lock, 和Recursive Lock等。這些鎖在不同的場景下有著不同的作用。
posted on 2007-08-12 15:41 愛上龍卷風 閱讀(4121) 評論(9)  編輯 收藏 引用

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# re: 線程互斥執行之假死鎖現象 2007-08-12 20:30 若弱
你所說的其實叫做“活鎖”是資源緊俏造成的,另外,其實完全可以用lock-free來代理鎖機制的。這樣就可以不會死鎖了
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# re: 線程互斥執行之假死鎖現象 2007-08-13 13:26 阿福
為了吸引眼球,創建一個新名詞…………拜托,一點學術精神都沒有!  回復  更多評論
  

# re: 線程互斥執行之假死鎖現象 2007-08-13 15:23 SuperPlayeR
最后的總結第二點,應該說是盡量減少互斥鎖保護范圍內代碼的執行時間。減少對慢速IO設備的訪問其實目的只是縮短時間而已。  回復  更多評論
  

# re: 線程互斥執行之假死鎖現象 2007-08-13 22:42 愛上龍卷風
@阿福
我確實不知道該把這類現象稱為什么,你有什么好主意,給點建設性的意見!
另外,這里不是在發表學術文章,只是開發經驗的總結,OK?  回復  更多評論
  

# re: 線程互斥執行之假死鎖現象 2007-08-13 22:53 愛上龍卷風
@若弱
直接原因是由于加鎖保護的代碼執行時間長造成的。
另外,閣下說的ock-free來代理鎖機制,是什么意思?  回復  更多評論
  

# re: 線程互斥執行之假死鎖現象 2007-08-16 10:53 若弱
不好意思,我打錯了一個字,應該是“代替”

其實所謂的lock-free(無鎖)實質上是使用了一個CPU的時鐘周期的鎖,
鎖的時間是要盡可能的短,但是再短也不能完全避免資源不足造成活鎖(或者說較長時間等待)現象。當然是有可能采用wait-free機制的,不過目前的實現代價太大,效率還沒傳統的鎖機制高呢。  回復  更多評論
  

# re: 線程互斥執行之假死鎖現象 2007-08-17 15:55 愛上龍卷風
@若弱
謝謝你的comments。
至于你提到的livelock的概念,我在網上查了些資料,基本上有兩種定義:
1)livelock-An endless loop in program execution. It occurs when a process repeats itself, because it continues to receive erroneous information. It can also occur when a process that calls another process is itself called by that process, and there is no logic to detect this situation and stop the operation. A livelock differs from a "deadlock," in that processing continues to take place, rather than just waiting in an idle loop(From answers).
2)活鎖-如果事務T1封鎖了數據R,事務T2又請求封鎖R,于是T2等待。T3也請求封鎖R,當T1釋放了R上的封鎖之后系統首先批準了T3的請求,T2仍然等待。然后T4又請求封鎖R,當T3釋放了R上的封鎖之后系統又批準了T4的請求,...,T2有可能永遠等待,這就是活鎖的情形(來自數據庫領域)
對于這兩種定義,我個人偏向于第一個定義:即程序進入無止的循環當中,無法結束。
不過無論哪種方式,都不適合本文的定義,即:既定時間的內的死鎖。
關于你說的Lock-free機制,一般來說,有兩種方法:
第一、對現有的算法改動,使用新的Lock-free算法。這種方法比較難于實現。
最簡單的莫過于:將臨界互斥區代碼委托給另外獨立的線程,使同步的操作變成異步(本文已經提到過)。
第二、使用原子操作原語,比如windows平臺上的互鎖函數族,如InterlockedCompareExchange。但是他們不能解決事務的問題。

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# re: 線程互斥執行之假死鎖現象 2007-08-20 10:37 若弱
@愛上龍卷風
關于活鎖,我個人也是傾向于第一種理解,事實上,有這樣一種情況出現,系統并沒有死鎖,但是因為資源不足,造成推進速度過慢,系統花太多的時間用于等待足夠的資源出現。就好比是餐館的例子,廚師等幫工清洗好盤子,幫工客人吃完的盤子,而客人不愿意整個桌子空蕩蕩的而不愿意把盤子吃空知道新的菜上來。這種情況在計算機環境中很容易出現,但是絕對不會推進不下去,只是速度非常慢,看起來像死鎖一樣,但是絕對不是死鎖。當然解決這個問題的辦法是增加盤子(資源)的供應量,或者減少資源的占用時間。

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# re: 線程互斥執行之假死鎖現象 2008-01-07 23:14 abettor.org
如果有個類似TryLock之類的方法就好了。  回復  更多評論
  

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