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死锁（Deadlock）C#

article 2024/10/26 9:07:39

在多线程编程中，死锁（Deadlock）是一种非常常见的问题，通常发生在两个或多个线程相互等待对方持有的锁，导致它们都无法继续执行。要避免死锁，需要了解死锁的四个必要条件以及相应的解决策略。

死锁的形成

死锁是指两个或多个线程相互等待对方释放资源，导致所有线程都无法继续执行。典型的死锁场景如下：

1.线程1拥有资源A，并在等待资源B；

2.线程2拥有资源B，并在等待资源A；

3.两者互相等待对方释放资源，形成了一个循环依赖，导致所有线程都被永久阻塞。

死锁的四个必要条件：

1.互斥条件（Mutex Exclusion）：资源一次只能被一个线程占用。

2.持有并等待条件（Hold and Wait）：线程持有一个资源并等待获取其他资源。

3.不可剥夺条件（No Preemption）：线程已获得的资源条件不能被强行剥夺，只能由线程自己释放。

4.循环等待条件（Circular Wait）：存在一组线程，每个线程都在等待下一线程持有的资源，形成一个环形等待。

如果满足以上四个条件，死锁就有可能发生。因此，解决死锁的关键是打破这些条件之一。

避免死锁的策略

1.锁的顺序（Ordering Locks）

确保所有线程按相同的顺序请求锁。这可以打破死锁的循环等待条件。只要所有的线程都以相同的顺序请求资源，死锁就不会发生。

例如，假设有两个锁lock1和lock2，我们确保所有线程总是先获取lock1，然后后获取lock2，避免死锁。

示例：按顺序获取以避免死锁

private static readonly object _lock1 = new object();
private static readonly object _lock2 = new object();

public void Thread1Work()
{
    lock(_lock1)//线程1先获取锁1
    {
        Console.WriteLine("Thread 1 acquired lock1");

        Thread.Sleep(100);
        
        lock(_lock2)//线程1然后获取锁2
        {
            Console.WriteLine("Thread 1 acquired lock2");
        }
    }
}

public void Thread2Work()
{
    lock (_lock1)  // 线程2必须按相同顺序获取锁1
    {
        Console.WriteLine("Thread 2 acquired lock1");

        Thread.Sleep(100);

        lock (_lock2)  // 线程2然后获取锁2
        {
            Console.WriteLine("Thread 2 acquired lock2");
        }
    }
}

如何避免死锁：

• 锁的顺序：通过让线程按照相同的顺序获取锁，可以避免互相等待对方释放锁的问题。

• 结果：Thread1和Thread2都会先获取lock1，然后获取lock2，不会形成死锁。

2.锁的超时机制（Timeout）

使用超时机制来获取锁，如果某个线程在等待锁时超时，则可以放弃操作并避免死锁。这样可以打破持有并等待条件。

示例：使用超时检测潜在的死锁

private static readonly object _lock1 = new object();  // 锁对象1
private static readonly object _lock2 = new object();  // 锁对象2

public void Thread1Work()
{
    if (Monitor.TryEnter(_lock1, TimeSpan.FromSeconds(1)))  // 尝试获取锁1，超时时间1秒
    {
        try
        {
            Console.WriteLine("Thread 1 acquired lock1");

            // 模拟线程1需要额外的时间处理一些事情
            Thread.Sleep(100);

            if (Monitor.TryEnter(_lock2, TimeSpan.FromSeconds(1)))  // 尝试获取锁2，超时时间1秒
            {
                try
                {
                    Console.WriteLine("Thread 1 acquired lock2");
                }
                finally
                {
                    Monitor.Exit(_lock2);  // 释放锁2
                }
            }
            else
            {
                Console.WriteLine("Thread 1 failed to acquire lock2, potential deadlock detected.");
            }
        }
        finally
        {
            Monitor.Exit(_lock1);  // 释放锁1
        }
    }
    else
    {
        Console.WriteLine("Thread 1 failed to acquire lock1, potential deadlock detected.");
    }
}

public void Thread2Work()
{
    if (Monitor.TryEnter(_lock2, TimeSpan.FromSeconds(1)))  // 尝试获取锁2，超时时间1秒
    {
        try
        {
            Console.WriteLine("Thread 2 acquired lock2");

            // 模拟线程2需要额外的时间处理一些事情
            Thread.Sleep(100);

            if (Monitor.TryEnter(_lock1, TimeSpan.FromSeconds(1)))  // 尝试获取锁1，超时时间1秒
            {
                try
                {
                    Console.WriteLine("Thread 2 acquired lock1");
                }
                finally
                {
                    Monitor.Exit(_lock1);  // 释放锁1
                }
            }
            else
            {
                Console.WriteLine("Thread 2 failed to acquire lock1, potential deadlock detected.");
            }
        }
        finally
        {
            Monitor.Exit(_lock2);  // 释放锁2
        }
    }
    else
    {
        Console.WriteLine("Thread 2 failed to acquire lock2, potential deadlock detected.");
    }
}

如何避免死锁：

• 锁的超时机制：使用Monitor.TryEnter 来设置获取锁的超时时间。如果超过指定时间无法获取锁，线程可以退出或执行其他操作。

• 结果：如果一个线程未能在指定时间内获取锁，它将放弃尝试并避免陷入死锁。

3.减少锁的持有时间（Minimize Lock Scope）

尽量缩短线程持有锁的时间，减少锁的竞争，进而降低死锁的可能性。只在需要访问共享资源的最小范围内加锁，防止不必要的锁定。

示例：缩短锁的持有时间

private static readonly object _lock1 = new object();  // 锁对象1
private static int _sharedResource = 0;  // 共享资源

public void IncrementResource()
{
    // 仅在需要访问共享资源时获取锁
    lock (_lock1)
    {
        _sharedResource++;  // 修改共享资源
        Console.WriteLine($"Resource incremented to {_sharedResource} by Thread {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
    }
    // 锁在这里就释放了，不会在其他不必要的代码块中持有
    DoOtherWork();  // 其他操作不需要锁定
}

private void DoOtherWork()
{
    // 执行其他不需要锁定的任务
    Console.WriteLine($"Thread {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} is doing other work.");
}

如何避免死锁：

• 减少锁的持有时间：尽量缩小锁定的范围，确保只有在修改共享资源时才持有锁。这样可以减少锁竞争，降低死锁发生的机率。

• 结果：线程在修改完共享资源后立刻释放锁，从而使其他线程有机会获得锁。