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Linux线程死锁详解

我们已经学会了 4 种实现线程同步的方法(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”。

有关 4 种线程同步机制的详细讲解,您可以点击《多线程编程(C语言+Linux)》做系统地学习。

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):
#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:

[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):
#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:

[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。

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。


2) 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。


3) 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。

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