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Go语言死锁、活锁和饥饿概述

本节我们来介绍一下死锁、活锁和饥饿这三个概念。

死锁

死锁是指两个或两个以上的进程(或线程)在执行过程中,因争夺资源而造成的一种互相等待的现象,若无外力作用,它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁,这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

死锁发生的条件有如下几种:

1) 互斥条件

线程对资源的访问是排他性的,如果一个线程对占用了某资源,那么其他线程必须处于等待状态,直到该资源被释放。

2) 请求和保持条件

线程 T1 至少已经保持了一个资源 R1 占用,但又提出使用另一个资源 R2 请求,而此时,资源 R2 被其他线程 T2 占用,于是该线程 T1 也必须等待,但又对自己保持的资源 R1 不释放。

3) 不剥夺条件

线程已获得的资源,在未使用完之前,不能被其他线程剥夺,只能在使用完以后由自己释放。

4) 环路等待条件

在死锁发生时,必然存在一个“进程 - 资源环形链”,即:{p0,p1,p2,...pn},进程 p0(或线程)等待 p1 占用的资源,p1 等待 p2 占用的资源,pn 等待 p0 占用的资源。

最直观的理解是,p0 等待 p1 占用的资源,而 p1 而在等待 p0 占用的资源,于是两个进程就相互等待。

死锁解决办法:
  • 如果并发查询多个表,约定访问顺序;
  • 在同一个事务中,尽可能做到一次锁定获取所需要的资源;
  • 对于容易产生死锁的业务场景,尝试升级锁颗粒度,使用表级锁;
  • 采用分布式事务锁或者使用乐观锁。

死锁程序是所有并发进程彼此等待的程序,在这种情况下,如果没有外界的干预,这个程序将永远无法恢复。

为了便于大家理解死锁是什么,我们先来看一个例子(忽略代码中任何不知道的类型,函数,方法或是包,只理解什么是死锁即可),代码如下所示:
package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "sync"
    "time"
)

type value struct {
    memAccess sync.Mutex
    value     int
}

func main() {
    runtime.GOMAXPROCS(3)
    var wg sync.WaitGroup
    sum := func(v1, v2 *value) {
        defer wg.Done()
        v1.memAccess.Lock()
        time.Sleep(2 * time.Second)
        v2.memAccess.Lock()
        fmt.Printf("sum = %d\n", v1.value+v2.value)
        v2.memAccess.Unlock()
        v1.memAccess.Unlock()
    }

    product := func(v1, v2 *value) {
        defer wg.Done()
        v2.memAccess.Lock()
        time.Sleep(2 * time.Second)
        v1.memAccess.Lock()
        fmt.Printf("product = %d\n", v1.value*v2.value)
        v1.memAccess.Unlock()
        v2.memAccess.Unlock()
    }

    var v1, v2 value
    v1.value = 1
    v2.value = 1
    wg.Add(2)
    go sum(&v1, &v2)
    go product(&v1, &v2)
    wg.Wait()
}
运行上面的代码,可能会看到:

fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

为什么呢?如果仔细观察,就可以在此代码中看到时机问题,以下是运行时的图形表示。

一个因时间问题导致死锁的演示
图 :一个因时间问题导致死锁的演示

活锁

活锁是另一种形式的活跃性问题,该问题尽管不会阻塞线程,但也不能继续执行,因为线程将不断重复同样的操作,而且总会失败。

例如线程 1 可以使用资源,但它很礼貌,让其他线程先使用资源,线程 2 也可以使用资源,但它同样很绅士,也让其他线程先使用资源。就这样你让我,我让你,最后两个线程都无法使用资源。

活锁通常发生在处理事务消息中,如果不能成功处理某个消息,那么消息处理机制将回滚事务,并将它重新放到队列的开头。这样,错误的事务被一直回滚重复执行,这种形式的活锁通常是由过度的错误恢复代码造成的,因为它错误地将不可修复的错误认为是可修复的错误。

当多个相互协作的线程都对彼此进行相应而修改自己的状态,并使得任何一个线程都无法继续执行时,就导致了活锁。这就像两个过于礼貌的人在路上相遇,他们彼此让路,然后在另一条路上相遇,然后他们就一直这样避让下去。

要解决这种活锁问题,需要在重试机制中引入随机性。例如在网络上发送数据包,如果检测到冲突,都要停止并在一段时间后重发,如果都在 1 秒后重发,还是会冲突,所以引入随机性可以解决该类问题。

下面通过示例来演示一下活锁:
package main

import (
    "bytes"
    "fmt"
    "runtime"
    "sync"
    "sync/atomic"
    "time"
)

func main() {
    runtime.GOMAXPROCS(3)
    cv := sync.NewCond(&sync.Mutex{})
    go func() {
        for range time.Tick(1 * time.Second) { // 通过tick控制两个人的步调
            cv.Broadcast()
        }
    }()

    takeStep := func() {
        cv.L.Lock()
        cv.Wait()
        cv.L.Unlock()
    }

    tryDir := func(dirName string, dir *int32, out *bytes.Buffer) bool {
        fmt.Fprintf(out, " %+v", dirName)
        atomic.AddInt32(dir, 1)
        takeStep()                      //走上一步
        if atomic.LoadInt32(dir) == 1 { //走成功就返回
            fmt.Fprint(out, ". Success!")
            return true
        }
        takeStep() // 没走成功,再走回来
        atomic.AddInt32(dir, -1)
        return false
    }

    var left, right int32
    tryLeft := func(out *bytes.Buffer) bool {
        return tryDir("向左走", &left, out)
    }

    tryRight := func(out *bytes.Buffer) bool {
        return tryDir("向右走", &right, out)
    }

    walk := func(walking *sync.WaitGroup, name string) {
        var out bytes.Buffer
        defer walking.Done()
        defer func() { fmt.Println(out.String()) }()
        fmt.Fprintf(&out, "%v is trying to scoot:", name)

        for i := 0; i < 5; i++ {
            if tryLeft(&out) || tryRight(&out) {
                return
            }
        }
        fmt.Fprintf(&out, "\n%v is tried!", name)
    }

    var trail sync.WaitGroup
    trail.Add(2)
    go walk(&trail, "男人") // 男人在路上走
    go walk(&trail, "女人") // 女人在路上走
    trail.Wait()
}
输出结果如下:

go run main.go
女人 is trying to scoot: 向左走 向右走 向左走 向右走 向左走 向右走 向左走 向右走 向左走 向右走
女人 is tried!
男人 is trying to scoot: 向左走 向右走 向左走 向右走 向左走 向右走 向左走 向右走 向左走 向右走
男人 is tried!

这个例子演示了使用活锁的一个十分常见的原因,两个或两个以上的并发进程试图在没有协调的情况下防止死锁。这就好比,如果走廊里的人都同意,只有一个人会移动,那就不会有活锁;一个人会站着不动,另一个人会移到另一边,他们就会继续移动。

活锁和死锁的区别在于,处于活锁的实体是在不断的改变状态,所谓的“活”,而处于死锁的实体表现为等待,活锁有可能自行解开,死锁则不能。

饥饿

饥饿是指一个可运行的进程尽管能继续执行,但被调度器无限期地忽视,而不能被调度执行的情况。

与死锁不同的是,饥饿锁在一段时间内,优先级低的线程最终还是会执行的,比如高优先级的线程执行完之后释放了资源。

活锁与饥饿是无关的,因为在活锁中,所有并发进程都是相同的,并且没有完成工作。更广泛地说,饥饿通常意味着有一个或多个贪婪的并发进程,它们不公平地阻止一个或多个并发进程,以尽可能有效地完成工作,或者阻止全部并发进程。

下面的示例程序中包含了一个贪婪的 goroutine 和一个平和的 goroutine:
package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "sync"
    "time"
)

func main() {
    runtime.GOMAXPROCS(3)

    var wg sync.WaitGroup
    const runtime = 1 * time.Second
    var sharedLock sync.Mutex

    greedyWorker := func() {
        defer wg.Done()
        var count int
        for begin := time.Now(); time.Since(begin) <= runtime; {
            sharedLock.Lock()
            time.Sleep(3 * time.Nanosecond)
            sharedLock.Unlock()
            count++
        }

        fmt.Printf("Greedy worker was able to execute %v work loops\n", count)
    }

    politeWorker := func() {
        defer wg.Done()
        var count int
        for begin := time.Now(); time.Since(begin) <= runtime; {
            sharedLock.Lock()
            time.Sleep(1 * time.Nanosecond)
            sharedLock.Unlock()

            sharedLock.Lock()
            time.Sleep(1 * time.Nanosecond)
            sharedLock.Unlock()

            sharedLock.Lock()
            time.Sleep(1 * time.Nanosecond)
            sharedLock.Unlock()
            count++
        }
        fmt.Printf("Polite worker was able to execute %v work loops\n", count)
    }

    wg.Add(2)
    go greedyWorker()
    go politeWorker()

    wg.Wait()
}
输出如下:

Greedy worker was able to execute 276 work loops
Polite worker was able to execute 92 work loops

贪婪的 worker 会贪婪地抢占共享锁,以完成整个工作循环,而平和的 worker 则试图只在需要时锁定。两种 worker 都做同样多的模拟工作(sleeping 时间为 3ns),可以看到,在同样的时间里,贪婪的 worker 工作量几乎是平和的 worker 工作量的两倍!

假设两种 worker 都有同样大小的临界区,而不是认为贪婪的 worker 的算法更有效(或调用 Lock 和 Unlock 的时候,它们也不是缓慢的),我们得出这样的结论,贪婪的 worker 不必要地扩大其持有共享锁上的临界区,井阻止(通过饥饿)平和的 worker 的 goroutine 高效工作。

总结

不适用锁肯定会出问题。如果用了,虽然解了前面的问题,但是又出现了更多的新问题。
  • 死锁:是因为错误的使用了锁,导致异常;
  • 活锁:是饥饿的一种特殊情况,逻辑上感觉对,程序也一直在正常的跑,但就是效率低,逻辑上进行不下去;
  • 饥饿:与锁使用的粒度有关,通过计数取样,可以判断进程的工作效率。

只要有共享资源的访问,必定要使其逻辑上进行顺序化和原子化,确保访问一致,这绕不开锁这个概念。

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