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C++并发编程基础：多锁顺序导致的死锁问题详解.md

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C++并发编程基础：多锁顺序导致的死锁问题详解

1. 引言

在并发编程中，死锁是一个常见且棘手的问题。它会导致程序陷入无限等待状态，无法继续执行，甚至可能导致系统崩溃。理解死锁的成因及其解决方案是编写健壮并发程序的关键。

1.1 什么是死锁？

1.1.1 死锁的定义

死锁是指两个或多个线程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象。此时，如果没有外力干预，这些线程将永远无法继续执行。

1.1.2 死锁的四个必要条件

死锁的发生必须同时满足以下四个条件：

  1. 互斥条件：资源一次只能被一个线程占用。
  2. 请求与保持条件：线程已经持有一个资源，但同时又在请求其他资源。
  3. 不可剥夺条件：资源在被线程占用期间，不能被其他线程强行剥夺。
  4. 循环等待条件：多个线程之间形成一个循环链，每个线程都在等待下一个线程所占用的资源。

1.2 多锁顺序导致的死锁问题概述

1.2.1 多锁顺序问题的常见场景

在多线程编程中，多个线程需要同时访问多个共享资源时，如果锁的获取顺序不一致，就可能导致死锁。例如，线程A先获取锁1再获取锁2，而线程B先获取锁2再获取锁1，这种情况下就可能发生死锁。

1.2.2 为什么多锁顺序会导致死锁？

当多个线程以不同的顺序获取锁时，可能会形成循环等待条件，从而导致死锁。例如，线程A持有锁1并等待锁2，而线程B持有锁2并等待锁1，这样就形成了一个循环等待链，导致死锁。

2. 多锁顺序导致死锁的原理

2.1 资源竞争与锁的获取顺序

2.1.1 资源竞争的基本概念

资源竞争是指多个线程同时访问共享资源，而共享资源通常需要通过锁来保护，以确保线程安全。

2.1.2 锁的获取顺序对死锁的影响

锁的获取顺序是避免死锁的关键。如果所有线程都以相同的顺序获取锁，就不会形成循环等待条件，从而避免死锁。

2.2 死锁的形成过程

2.2.1 线程间的资源依赖关系

线程间的资源依赖关系是指线程在执行过程中需要获取多个资源，而这些资源可能已经被其他线程占用。如果线程之间的资源依赖关系形成了一个环，就可能导致死锁。

2.2.2 死锁的循环等待条件

循环等待条件是指多个线程之间形成了一个循环链，每个线程都在等待下一个线程所占用的资源。例如，线程A等待线程B，线程B等待线程C，线程C等待线程A，这样就形成了一个循环等待链，导致死锁。

2.3 多锁顺序问题的典型案例

2.3.1 案例背景介绍

假设我们有两个共享资源，分别由两个互斥锁保护。两个线程需要同时访问这两个资源，但它们获取锁的顺序不同，从而导致死锁。

2.3.2 案例中的锁顺序问题

以下是一个简单的C++代码示例，展示了多锁顺序导致的死锁问题：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mutex1;
std::mutex mutex2;

void threadA() {
    // 线程A先获取mutex1，再获取mutex2
    mutex1.lock();
    std::cout << "Thread A acquired mutex1" << std::endl;

    // 模拟一些工作
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));

    mutex2.lock();
    std::cout << "Thread A acquired mutex2" << std::endl;

    // 模拟一些工作
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));

    mutex2.unlock();
    mutex1.unlock();
}

void threadB() {
    // 线程B先获取mutex2，再获取mutex1
    mutex2.lock();
    std::cout << "Thread B acquired mutex2" << std::endl;

    // 模拟一些工作
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));

    mutex1.lock();
    std::cout << "Thread B acquired mutex1" << std::endl;

    // 模拟一些工作
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));

    mutex1.unlock();
    mutex2.unlock();
}

int main() {
    std::thread t1(threadA);
    std::thread t2(threadB);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}
代码分析
  1. 线程A：先获取mutex1，再获取mutex2。
  2. 线程B：先获取mutex2，再获取mutex1。

当两个线程同时运行时，可能会出现以下情况：

  • 线程A获取了mutex1，线程B获取了mutex2。
  • 线程A尝试获取mutex2，但mutex2已经被线程B占用，因此线程A等待。
  • 线程B尝试获取mutex1，但mutex1已经被线程A占用，因此线程B等待。

这样就形成了循环等待条件，导致死锁。

2.4 多锁的应用场景

在并发编程中，多锁的使用场景非常广泛，尤其是在需要保护多个共享资源的场景下。以下是一些常见的多锁应用场景：

2.4.1 数据库事务中的多表操作

在数据库事务中，多个表的操作通常需要同时锁定多个资源。例如，转账操作需要同时锁定两个账户的记录，以确保数据的一致性。

代码示例
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

struct Account {
    std::mutex mtx;
    double balance;
};

void transfer(Account& from, Account& to, double amount) {
    std::lock(from.mtx, to.mtx);  // 一次性获取所有锁
    std::lock_guard<std::mutex> lock1(from.mtx, std::adopt_lock);
    std::lock_guard<std::mutex> lock2(to.mtx, std::adopt_lock);

    from.balance -= amount;
    to.balance += amount;

    std::cout << "Transferred " << amount << " from Account A to Account B" << std::endl;
}

int main() {
    Account accountA = {std::mutex(), 1000};
    Account accountB = {std::mutex(), 2000};

    std::thread t1([&]() { transfer(accountA, accountB, 100); });
    std::thread t2([&]() { transfer(accountB, accountA, 50); });

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}
代码拆解分析

  1. std::lock(from.mtx, to.mtx)：

    • 一次性获取两个账户的锁，避免死锁。

  2. std::lock_guard<std::mutex> lock1(from.mtx, std::adopt_lock)：

    • 使用 std::lock_guard 管理锁的生命周期。

  3. 转账操作：

    • 从 from 账户扣除金额，增加到 to 账户。

2.4.2 并发数据结构中的多锁保护

在并发数据结构中，多个锁通常用于保护不同的数据区域。例如，一个并发哈希表可能需要为每个桶使用一个独立的锁，以提高并发性能。

代码示例
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <vector>
#include <unordered_map>

class ConcurrentHashMap {
public:
    ConcurrentHashMap(size_t bucket_count) : buckets_(bucket_count) {}

    void insert(int key, int value) {
        size_t bucket_index = key % buckets_.size();
        std::lock_guard<std::mutex> lock(buckets_[bucket_index].mtx);
        buckets_[bucket_index].map[key] = value;
    }

    int get(int key) {
        size_t bucket_index = key % buckets_.size();
        std::lock_guard<std::mutex> lock(buckets_[bucket_index].mtx);
        return buckets_[bucket_index].map[key];
    }

private:
    struct Bucket {
        std::mutex mtx;
        std::unordered_map<int, int> map;
    };

    std::vector<Bucket> buckets_;
};

int main() {
    ConcurrentHashMap map(10);

    std::thread t1([&]() { map.insert(1, 100); });
    std::thread t2([&]() { map.insert(2, 200); });

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Value of key 1: " << map.get(1) << std::endl;
    std::cout << "Value of key 2: " << map.get(2) << std::endl;

    return 0;
}
代码拆解分析

  1. ConcurrentHashMap 类：

    • 使用一个 std::vector<Bucket> 来存储多个桶，每个桶包含一个 std::mutex 和一个 std::unordered_map。

  2. insert() 方法：

    • 根据键计算桶的索引，并锁定对应的桶。
    • 在锁的保护下，将键值对插入到桶的 std::unordered_map 中。

  3. get() 方法：

    • 根据键计算桶的索引，并锁定对应的桶。
    • 在锁的保护下，从桶的 std::unordered_map 中获取值。

2.4.3 并发队列中的多锁保护

在并发队列中，多个锁通常用于保护队列的不同部分。例如，一个双端队列可能需要为队列的头部和尾部使用独立的锁，以提高并发性能。

代码示例
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <deque>

class ConcurrentDeque {
public:
    void push_front(int value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(head_mtx_);
        deque_.push_front(value);
    }

    void push_back(int value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(tail_mtx_);
        deque_.push_back(value);
    }

    int pop_front() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(head_mtx_);
        if (deque_.empty()) {
            throw std::runtime_error("Deque is empty");
        }
        int value = deque_.front();
        deque_.pop_front();
        return value;
    }

    int pop_back() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(tail_mtx_);
        if (deque_.empty()) {
            throw std::runtime_error("Deque is empty");
        }
        int value = deque_.back();
        deque_.pop_back();
        return value;
    }

private:
    std::mutex head_mtx_;
    std::mutex tail_mtx_;
    std::deque<int> deque_;
};

int main() {
    ConcurrentDeque deque;

    std::thread t1([&]() { deque.push_front(100); });
    std::thread t2([&]() { deque.push_back(200); });

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Pop front: " << deque.pop_front() << std::endl;
    std::cout << "Pop back: " << deque.pop_back() << std::endl;

    return 0;
}
代码拆解分析

  1. ConcurrentDeque 类：

    • 使用两个 std::mutex 分别保护队列的头部和尾部。

  2. push_front() 方法：

    • 锁定 head_mtx_，在队列的头部插入元素。

  3. push_back() 方法：

    • 锁定 tail_mtx_，在队列的尾部插入元素。

  4. pop_front() 方法：

    • 锁定 head_mtx_，从队列的头部弹出元素。

  5. pop_back() 方法：

    • 锁定 tail_mtx_，从队列的尾部弹出元素。

2.4.4 并发文件系统中的多锁保护

在并发文件系统中，多个锁通常用于保护文件的不同部分。例如，一个文件可能需要为文件的头部和尾部使用独立的锁，以提高并发性能。

代码示例
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <vector>

class ConcurrentFile {
public:
    void write_head(const std::vector<char>& data) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(head_mtx_);
        // 模拟写入文件头部
        std::cout << "Writing to file head: " << data.size() << " bytes" << std::endl;
    }

    void write_tail(const std::vector<char>& data) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(tail_mtx_);
        // 模拟写入文件尾部
        std::cout << "Writing to file tail: " << data.size() << " bytes" << std::endl;
    }

private:
    std::mutex head_mtx_;
    std::mutex tail_mtx_;
};

int main() {
    ConcurrentFile file;

    std::thread t1([&]() { file.write_head({'H', 'E', 'A', 'D'}); });
    std::thread t2([&]() { file.write_tail({'T', 'A', 'I', 'L'}); });

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}
代码拆解分析

  1. ConcurrentFile 类：

    • 使用两个 std::mutex 分别保护文件的头部和尾部。

  2. write_head() 方法：

    • 锁定 head_mtx_，模拟写入文件头部。

  3. write_tail() 方法：

    • 锁定 tail_mtx_，模拟写入文件尾部。

3. 多锁顺序导致死锁的代码示例

3.1 代码示例：简单的多锁顺序死锁

3.1.1 代码示例

以下是一个简单的多锁顺序死锁的代码示例：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mutex1;
std::mutex mutex2;

void threadA() {
    mutex1.lock();  // 线程A先获取mutex1
    std::cout << "Thread A acquired mutex1" << std::endl;

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));  // 模拟工作

    mutex2.lock();  // 线程A尝试获取mutex2
    std::cout << "Thread A acquired mutex2" << std::endl;

    mutex2.unlock();
    mutex1.unlock();
}

void threadB() {
    mutex2.lock();  // 线程B先获取mutex2
    std::cout << "Thread B acquired mutex2" << std::endl;

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));  // 模拟工作

    mutex1.lock();  // 线程B尝试获取mutex1
    std::cout << "Thread B acquired mutex1" << std::endl;

    mutex1.unlock();
    mutex2.unlock();
}

int main() {
    std::thread t1(threadA);
    std::thread t2(threadB);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

3.1.2 代码解析

  1. 线程A：先获取mutex1，再尝试获取mutex2。
  2. 线程B：先获取mutex2，再尝试获取mutex1。

当两个线程同时运行时，可能会出现以下情况：

  • 线程A获取了mutex1，线程B获取了mutex2。
  • 线程A尝试获取mutex2，但mutex2已经被线程B占用，因此线程A等待。
  • 线程B尝试获取mutex1，但mutex1已经被线程A占用，因此线程B等待。

这样就形成了循环等待条件，导致死锁。

3.2 代码示例：复杂场景下的多锁顺序死锁

3.2.1 代码示例

以下是一个复杂场景下的多锁顺序死锁的代码示例：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <vector>

std::mutex mutex1;
std::mutex mutex2;
std::mutex mutex3;

void threadA() {
    mutex1.lock();  // 线程A先获取mutex1
    std::cout << "Thread A acquired mutex1" << std::endl;

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));  // 模拟工作

    mutex2.lock();  // 线程A尝试获取mutex2
    std::cout << "Thread A acquired mutex2" << std::endl;

    mutex3.lock();  // 线程A尝试获取mutex3
    std::cout << "Thread A acquired mutex3" << std::endl;

    mutex3.unlock();
    mutex2.unlock();
    mutex1.unlock();
}

void threadB() {
    mutex2.lock();  // 线程B先获取mutex2
    std::cout << "Thread B acquired mutex2" << std::endl;

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));  // 模拟工作

    mutex3.lock();  // 线程B尝试获取mutex3
    std::cout << "Thread B acquired mutex3" << std::endl;

    mutex1.lock();  // 线程B尝试获取mutex1
    std::cout << "Thread B acquired mutex1" << std::endl;

    mutex1.unlock();
    mutex3.unlock();
    mutex2.unlock();
}

int main() {
    std::thread t1(threadA);
    std::thread t2(threadB);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

3.2.2 代码解析

  1. 线程A：先获取mutex1，再获取mutex2，最后获取mutex3。
  2. 线程B：先获取mutex2，再获取mutex3，最后获取mutex1。

当两个线程同时运行时，可能会出现以下情况：

  • 线程A获取了mutex1，线程B获取了mutex2。
  • 线程A尝试获取mutex2，但mutex2已经被线程B占用，因此线程A等待。
  • 线程B尝试获取mutex3，但mutex3已经被线程A占用，因此线程B等待。

这样就形成了循环等待条件，导致死锁。

4. 如何避免多锁顺序导致的死锁

4.1 锁的顺序一致性原则

4.1.1 定义锁的固定顺序

为了避免死锁，可以为所有线程定义一个固定的锁获取顺序。所有线程都必须按照相同的顺序获取锁，从而避免循环等待条件。

4.1.2 使用统一的锁获取顺序

通过强制所有线程按照相同的顺序获取锁，可以避免死锁的发生。例如，所有线程都先获取mutex1，再获取mutex2，最后获取mutex3。

4.1.3 为什么能避免死锁

通过定义统一的锁获取顺序，所有线程都按照相同的顺序获取锁，避免了循环等待条件，从而避免了死锁。

4.1.4 代码示例

以下是一个使用统一锁获取顺序的代码示例：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mutex1;
std::mutex mutex2;
std::mutex mutex3;

void threadA() {
    mutex1.lock();  // 线程A先获取mutex1
    mutex2.lock();  // 线程A再获取mutex2
    mutex3.lock();  // 线程A最后获取mutex3

    std::cout << "Thread A acquired all locks" << std::endl;

    mutex3.unlock();
    mutex2.unlock();
    mutex1.unlock();
}

void threadB() {
    mutex1.lock();  // 线程B先获取mutex1
    mutex2.lock();  // 线程B再获取mutex2
    mutex3.lock();  // 线程B最后获取mutex3

    std::cout << "Thread B acquired all locks" << std::endl;

    mutex3.unlock();
    mutex2.unlock();
    mutex1.unlock();
}

int main() {
    std::thread t1(threadA);
    std::thread t2(threadB);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

4.1.5 代码拆解分析

  1. 线程A：

    • 先获取mutex1。
    • 再获取mutex2。
    • 最后获取mutex3。

  2. 线程B：

    • 先获取mutex1。
    • 再获取mutex2。
    • 最后获取mutex3。

通过这种方式，所有线程都按照相同的顺序获取锁，避免了循环等待条件，从而避免了死锁。

4.2 使用层次锁（Hierarchical Locking）

4.2.1 层次锁的基本原理

层次锁是一种将锁分层管理的策略。每个锁都有一个层次编号，线程只能获取比当前持有锁层次更高的锁。

4.2.2 层次锁的实现方式

代码示例

以下是一个简单的层次锁实现：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <stdexcept>

class HierarchicalMutex {
public:
    explicit HierarchicalMutex(int level) : level_(level), previous_level_(0) {}

    void lock() {
        check_for_hierarchy_violation();
        internal_mutex_.lock();
        update_hierarchy_value();
    }

    void unlock() {
        if (this_thread_hierarchy_value_ != level_) {
            throw std::logic_error("Mutex hierarchy violated");
        }
        this_thread_hierarchy_value_ = previous_level_;
        internal_mutex_.unlock();
    }

    bool try_lock() {
        check_for_hierarchy_violation();
        if (!internal_mutex_.try_lock()) {
            return false;
        }
        update_hierarchy_value();
        return true;
    }

private:
    void check_for_hierarchy_violation() {
        if (this_thread_hierarchy_value_ <= level_) {
            throw std::logic_error("Mutex hierarchy violated");
        }
    }

    void update_hierarchy_value() {
        previous_level_ = this_thread_hierarchy_value_;
        this_thread_hierarchy_value_ = level_;
    }

    std::mutex internal_mutex_;
    const int level_;
    int previous_level_;
    static thread_local int this_thread_hierarchy_value_;
};

thread_local int HierarchicalMutex::this_thread_hierarchy_value_ = INT_MAX;

HierarchicalMutex hmutex1(1000);
HierarchicalMutex hmutex2(2000);

void threadA() {
    hmutex1.lock();  // 线程A先获取hmutex1
    std::cout << "Thread A acquired hmutex1" << std::endl;

    hmutex2.lock();  // 线程A再获取hmutex2
    std::cout << "Thread A acquired hmutex2" << std::endl;

    hmutex2.unlock();
    hmutex1.unlock();
}

void threadB() {
    hmutex1.lock();  // 线程B先获取hmutex1
    std::cout << "Thread B acquired hmutex1" << std::endl;

    hmutex2.lock();  // 线程B再获取hmutex2
    std::cout << "Thread B acquired hmutex2" << std::endl;

    hmutex2.unlock();
    hmutex1.unlock();
}

int main() {
    std::thread t1(threadA);
    std::thread t2(threadB);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}
代码拆解分析
1. HierarchicalMutex 类的定义
class HierarchicalMutex {
public:
    explicit HierarchicalMutex(int level) : level_(level), previous_level_(0) {}

    void lock();
    void unlock();
    bool try_lock();

private:
    void check_for_hierarchy_violation();
    void update_hierarchy_value();

    std::mutex internal_mutex_;
    const int level_;
    int previous_level_;
    static thread_local int this_thread_hierarchy_value_;
};
  • HierarchicalMutex 类：这是一个层次锁的实现类，包含以下成员：
    • internal_mutex_：一个内部互斥锁，用于实际的锁操作。
    • level_：锁的层次级别，用于标识锁的优先级。
    • previous_level_：用于保存线程之前持有的锁的层次级别。
    • this_thread_hierarchy_value_：一个线程局部的静态变量，用于记录当前线程的层次级别。
2. lock() 方法
void lock() {
    check_for_hierarchy_violation();
    internal_mutex_.lock();
    update_hierarchy_value();
}
  • lock() 方法：
    • check_for_hierarchy_violation()：在获取锁之前，检查当前线程的层次级别是否违反了层次锁的规则。
    • internal_mutex_.lock()：如果层次检查通过，则获取内部互斥锁。
    • update_hierarchy_value()：更新当前线程的层次级别。
3. unlock() 方法
void unlock() {
    if (this_thread_hierarchy_value_ != level_) {
        throw std::logic_error("Mutex hierarchy violated");
    }
    this_thread_hierarchy_value_ = previous_level_;
    internal_mutex_.unlock();
}
  • unlock() 方法：
    • if (this_thread_hierarchy_value_ != level_)：在释放锁之前，检查当前线程的层次级别是否与锁的层次级别一致。如果不一致，说明层次锁的使用顺序被破坏，抛出异常。
    • this_thread_hierarchy_value_ = previous_level_：恢复线程的层次级别为之前持有的锁的层次级别。
    • internal_mutex_.unlock()：释放内部互斥锁。
4. try_lock() 方法
bool try_lock() {
    check_for_hierarchy_violation();
    if (!internal_mutex_.try_lock()) {
        return false;
    }
    update_hierarchy_value();
    return true;
}
  • try_lock() 方法：
    • check_for_hierarchy_violation()：在尝试获取锁之前，检查当前线程的层次级别是否违反了层次锁的规则。
    • internal_mutex_.try_lock()：尝试获取内部互斥锁，如果获取失败，返回false。
    • update_hierarchy_value()：如果成功获取锁，更新当前线程的层次级别。
    • return true：如果成功获取锁，返回true。
5. check_for_hierarchy_violation() 方法
void check_for_hierarchy_violation() {
    if (this_thread_hierarchy_value_ <= level_) {
        throw std::logic_error("Mutex hierarchy violated");
    }
}
  • check_for_hierarchy_violation() 方法：
    • if (this_thread_hierarchy_value_ <= level_)：检查当前线程的层次级别是否小于或等于要获取的锁的层次级别。如果是，说明层次锁的使用顺序被破坏，抛出异常。
6. update_hierarchy_value() 方法
void update_hierarchy_value() {
    previous_level_ = this_thread_hierarchy_value_;
    this_thread_hierarchy_value_ = level_;
}
  • update_hierarchy_value() 方法：
    • previous_level_ = this_thread_hierarchy_value_：保存当前线程的层次级别到previous_level_。
    • this_thread_hierarchy_value_ = level_：更新当前线程的层次级别为当前锁的层次级别。
7. thread_local 变量
thread_local int HierarchicalMutex::this_thread_hierarchy_value_ = INT_MAX;
  • thread_local 变量：
    • this_thread_hierarchy_value_：这是一个线程局部的静态变量，用于记录当前线程的层次级别。初始值为INT_MAX，表示线程尚未持有任何锁。
8. 使用层次锁的线程函数
void threadA() {
    hmutex1.lock();  // 线程A先获取hmutex1
    std::cout << "Thread A acquired hmutex1" << std::endl;

    hmutex2.lock();  // 线程A再获取hmutex2
    std::cout << "Thread A acquired hmutex2" << std::endl;

    hmutex2.unlock();
    hmutex1.unlock();
}

void threadB() {
    hmutex1.lock();  // 线程B先获取hmutex1
    std::cout << "Thread B acquired hmutex1" << std::endl;

    hmutex2.lock();  // 线程B再获取hmutex2
    std::cout << "Thread B acquired hmutex2" << std::endl;

    hmutex2.unlock();
    hmutex1.unlock();
}
  • threadA() 和 threadB()：
    • 两个线程都按照相同的顺序获取锁，先获取hmutex1，再获取hmutex2。
    • 由于层次锁的实现，线程在获取锁时会检查层次级别，确保不会违反层次锁的规则。
9. 主函数
int main() {
    std::thread t1(threadA);
    std::thread t2(threadB);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}
  • main() 函数：
    • 创建两个线程t1和t2，分别执行threadA和threadB。
    • 通过join()等待线程执行完成。
总结

层次锁通过强制线程按照锁的层次顺序获取锁，避免了循环等待条件，从而避免了死锁。通过check_for_hierarchy_violation()方法，层次锁确保线程不会违反锁的层次规则，从而保证了线程安全。

4.3 使用定时锁（Timeout Locking）

4.3.1 定时锁的基本原理

定时锁是一种在获取锁时设置超时时间的策略。如果线程在指定时间内无法获取锁，则放弃获取锁并释放已持有的锁。

4.3.2 定时锁的优缺点

  • 优点：可以避免死锁，因为线程在超时后会放弃获取锁。
  • 缺点：可能会导致资源竞争加剧，因为线程在超时后可能会重新尝试获取锁。

4.3.3 为什么能避免死锁

定时锁通过设置超时时间，避免了线程无限等待锁的情况，从而避免了死锁。

4.3.4 代码示例

以下是一个使用定时锁的代码示例：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <chrono>
#include <atomic>

std::timed_mutex timed_mutex1;
std::timed_mutex timed_mutex2;
std::atomic<bool> stop_flag(false);  // 添加退出标志

void threadA() {
    while (!stop_flag) {  // 检查退出标志
        if (timed_mutex1.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(100))) {
            std::cout << "Thread A acquired timed_mutex1" << std::endl;

            if (timed_mutex2.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(100))) {
                std::cout << "Thread A acquired timed_mutex2" << std::endl;

                // 模拟工作
                std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50));

                timed_mutex2.unlock();
            }
            timed_mutex1.unlock();
        }
    }
}

void threadB() {
    while (!stop_flag) {  // 检查退出标志
        if (timed_mutex2.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(100))) {
            std::cout << "Thread B acquired timed_mutex2" << std::endl;

            if (timed_mutex1.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(100))) {
                std::cout << "Thread B acquired timed_mutex1" << std::endl;

                // 模拟工作
                std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50));

                timed_mutex1.unlock();
            }
            timed_mutex2.unlock();
        }
    }
}

int main() {
    std::thread t1(threadA);
    std::thread t2(threadB);

    // 模拟运行一段时间后退出
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    stop_flag = true;  // 设置退出标志

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Program terminated." << std::endl;

    return 0;
}

4.3.5 代码拆解分析

  1. 线程A：

    • 使用try_lock_for尝试获取timed_mutex1，超时时间为100毫秒。
    • 如果成功获取timed_mutex1，再尝试获取timed_mutex2，超时时间为100毫秒。
    • 如果成功获取timed_mutex2，执行工作并释放锁。

  2. 线程B：

    • 使用try_lock_for尝试获取timed_mutex2，超时时间为100毫秒。
    • 如果成功获取timed_mutex2，再尝试获取timed_mutex1，超时时间为100毫秒。
    • 如果成功获取timed_mutex1，执行工作并释放锁。

  3. std::atomic<bool> stop_flag(false)：

  • 添加一个原子布尔变量 stop_flag，用于控制线程的退出。
  1. while (!stop_flag)：
  • 在 threadA 和 threadB 中，检查 stop_flag 的值，如果为 true，则退出循环。
  1. std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2))：
  • 主线程模拟运行 2 秒后设置 stop_flag 为 true，通知线程退出。
  1. stop_flag = true：
  • 主线程设置 stop_flag 为 true，通知线程退出。
  1. t1.join() 和 t2.join()：
  • 主线程等待 t1 和 t2 线程完成。

4.4 使用无锁编程（Lock-Free Programming）

4.4.1 无锁编程的基本概念

无锁编程是一种不使用锁的并发编程技术，通过原子操作和内存顺序控制来实现线程安全。

4.4.2 无锁编程的适用场景

无锁编程适用于对性能要求极高且锁竞争激烈的场景。

4.4.3 为什么能避免死锁

无锁编程不使用锁，因此不会出现死锁问题。

4.4.4 代码示例

以下是一个简单的无锁编程示例，使用std::atomic实现线程安全的计数器：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>

std::atomic<int> counter(0);

void increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Counter value: " << counter.load() << std::endl;

    return 0;
}

4.4.5 代码拆解分析

  1. std::atomic<int> counter(0)：

    • 定义一个原子整数counter，初始值为0。

  2. fetch_add(1, std::memory_order_relaxed)：

    • 使用原子操作fetch_add对counter进行加1操作，std::memory_order_relaxed表示不使用内存屏障。

  3. counter.load()：

    • 使用load方法读取counter的值。

通过使用原子操作，避免了锁的使用，从而避免了死锁问题。

4.5 使用std::lock一次性获取所有锁

4.5.1 std::lock的基本原理

std::lock是C++标准库提供的一个函数，可以一次性获取多个互斥锁，避免死锁。

4.5.2 std::lock的实现方式

以下是一个使用std::lock的代码示例：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mutex1;
std::mutex mutex2;
std::mutex mutex3;

void threadA() {
    std::lock(mutex1, mutex2, mutex3);  // 一次性获取所有锁
    std::cout << "Thread A acquired all locks" << std::endl;

    mutex3.unlock();
    mutex2.unlock();
    mutex1.unlock();
}

void threadB() {
    std::lock(mutex1, mutex2, mutex3);  // 一次性获取所有锁
    std::cout << "Thread B acquired all locks" << std::endl;

    mutex3.unlock();
    mutex2.unlock();
    mutex1.unlock();
}

int main() {
    std::thread t1(threadA);
    std::thread t2(threadB);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

4.5.3 为什么能避免死锁

std::lock通过一次性获取所有锁，避免了线程之间的循环等待条件，从而避免了死锁。

4.5.4 代码拆解分析

  1. std::lock(mutex1, mutex2, mutex3)：

    • 一次性获取mutex1、mutex2和mutex3，避免了循环等待条件。

  2. mutex3.unlock()：

    • 释放mutex3。

  3. mutex2.unlock()：

    • 释放mutex2。

  4. mutex1.unlock()：

    • 释放mutex1。

通过这种方式，所有线程都一次性获取所有锁，避免了循环等待条件，从而避免了死锁。

5. 多锁顺序死锁的检测与恢复

5.1 死锁检测工具

5.1.1 常见的死锁检测工具介绍

在并发编程中，死锁是一个常见的问题，尤其是在多线程或多进程环境中。为了帮助开发者检测和诊断死锁问题，许多工具和库被开发出来。以下是一些常见的死锁检测工具：

  1. Valgrind：

    • 介绍：Valgrind 是一个开源的内存调试和性能分析工具，支持多种平台。它可以通过 helgrind 工具来检测多线程程序中的死锁问题。
    • 使用场景：适用于 C/C++ 程序的死锁检测。

  2. ThreadSanitizer：

    • 介绍：ThreadSanitizer 是 Google 开发的一个工具，用于检测多线程程序中的数据竞争和死锁问题。它集成在 LLVM 和 GCC 编译器中。
    • 使用场景：适用于 C/C++ 和 Go 语言的死锁检测。

  3. Intel Inspector：

    • 介绍：Intel Inspector 是一个性能分析工具，专门用于检测多线程程序中的死锁、数据竞争和内存泄漏问题。
    • 使用场景：适用于 C/C++ 和 Fortran 程序的死锁检测。

  4. GDB (GNU Debugger)：

    • 介绍：GDB 是一个强大的调试工具，可以通过设置断点和观察线程状态来手动检测死锁问题。
    • 使用场景：适用于所有支持 GDB 的编程语言。

5.1.2 如何使用工具检测多锁顺序死锁

以下是使用 ThreadSanitizer 检测多锁顺序死锁的示例：

代码示例
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mutex1;
std::mutex mutex2;

void threadA() {
    mutex1.lock();
    std::cout << "Thread A acquired mutex1" << std::endl;

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));

    mutex2.lock();
    std::cout << "Thread A acquired mutex2" << std::endl;

    mutex2.unlock();
    mutex1.unlock();
}

void threadB() {
    mutex2.lock();
    std::cout << "Thread B acquired mutex2" << std::endl;

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));

    mutex1.lock();
    std::cout << "Thread B acquired mutex1" << std::endl;

    mutex1.unlock();
    mutex2.unlock();
}

int main() {
    std::thread t1(threadA);
    std::thread t2(threadB);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}
使用 ThreadSanitizer 检测死锁

  1. 编译代码：

    • 使用 clang++ 或 g++ 编译代码，并启用 ThreadSanitizer：
    clang++ -fsanitize=thread -g -o deadlock_example deadlock_example.cpp

  2. 运行程序：

    • 运行生成的可执行文件：
    ./deadlock_example

  3. 查看检测结果：

    • ThreadSanitizer 会输出死锁的详细信息，包括死锁发生的线程、锁的获取顺序等。
检测结果示例
==================
WARNING: ThreadSanitizer: lock-order-inversion (potential deadlock)
  Cycle in lock order graph: M1 (0x7b08) -> M2 (0x7b10) -> M1

Thread 1 (Thread 0x7f9b8c0b3700 (LWP 12345)):
  #0 mutex1.lock()
  #1 threadA()
  #2 void* std::__invoke_impl<void*, void (*)(void*)>(std::__invoke_other, void*&&, void*&&)
  #3 std::__invoke_result<void*>::type std::__invoke<void*>(void*&&)
  #4 void std::thread::_Invoker<std::tuple<void*>>::_M_invoke<0ul>(std::_Index_tuple<0ul>)
  #5 std::thread::_Invoker<std::tuple<void*>>::operator()()
  #6 std::thread::_State_impl<std::thread::_Invoker<std::tuple<void*>>>::_M_run()
  #7 execute_native_thread_routine

Thread 2 (Thread 0x7f9b8c0b3700 (LWP 12346)):
  #0 mutex2.lock()
  #1 threadB()
  #2 void* std::__invoke_impl<void*, void (*)(void*)>(std::__invoke_other, void*&&, void*&&)
  #3 std::__invoke_result<void*>::type std::__invoke<void*>(void*&&)
  #4 void std::thread::_Invoker<std::tuple<void*>>::_M_invoke<0ul>(std::_Index_tuple<0ul>)
  #5 std::thread::_Invoker<std::tuple<void*>>::operator()()
  #6 std::thread::_State_impl<std::thread::_Invoker<std::tuple<void*>>>::_M_run()
  #7 execute_native_thread_routine

SUMMARY: ThreadSanitizer: lock-order-inversion (potential deadlock)
==================

5.2 死锁恢复策略

5.2.1 死锁恢复的基本方法

死锁恢复是指在检测到死锁后，采取措施使系统恢复正常运行的过程。常见的死锁恢复方法包括：

  1. 终止线程：

    • 强制终止一个或多个参与死锁的线程，释放它们持有的资源，从而打破死锁。

  2. 回滚事务：

    • 在数据库或分布式系统中，回滚事务可以释放资源，打破死锁。

  3. 资源抢占：

    • 强制抢占一个线程持有的资源，并将其分配给另一个线程，从而打破死锁。

5.2.2 死锁恢复的实际应用

以下是一个简单的死锁恢复示例，通过终止线程来打破死锁：

代码示例
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <chrono>
#include <condition_variable>

std::mutex mutex1;
std::mutex mutex2;
std::condition_variable cv;
bool deadlock_detected = false;

void threadA() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock1(mutex1);
    std::cout << "Thread A acquired mutex1" << std::endl;

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));

    std::unique_lock<std::mutex> lock2(mutex2);
    std::cout << "Thread A acquired mutex2" << std::endl;

    lock2.unlock();
    lock1.unlock();
}

void threadB() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock2(mutex2);
    std::cout << "Thread B acquired mutex2" << std::endl;

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));

    std::unique_lock<std::mutex> lock1(mutex1);
    std::cout << "Thread B acquired mutex1" << std::endl;

    lock1.unlock();
    lock2.unlock();
}

void deadlock_monitor() {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    deadlock_detected = true;
    cv.notify_all();
}

int main() {
    std::thread t1(threadA);
    std::thread t2(threadB);
    std::thread monitor(deadlock_monitor);

    std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex1, std::defer_lock);
    cv.wait(lock, [] { return deadlock_detected; });

    if (deadlock_detected) {
        std::cout << "Deadlock detected! Terminating threads." << std::endl;
        t1.detach();
        t2.detach();
    }

    monitor.join();

    return 0;
}
代码拆解分析

  1. deadlock_monitor() 函数：

    • 模拟一个死锁检测器，在 2 秒后检测到死锁，并设置 deadlock_detected 标志。

  2. cv.wait()：

    • 主线程等待 deadlock_monitor() 通知死锁检测结果。

  3. t1.detach() 和 t2.detach()：

    • 如果检测到死锁，主线程强制终止 t1 和 t2 线程，打破死锁。

6. 实际案例分析

6.1 案例1：银行转账系统中的多锁顺序死锁

6.1.1 案例背景

在银行转账系统中，两个账户之间的转账操作需要同时锁定两个账户的资源。如果两个线程分别尝试从账户 A 转账到账户 B 和从账户 B 转账到账户 A，可能会导致死锁。

6.1.2 死锁原因分析

假设有两个线程：

  • 线程 1：从账户 A 转账到账户 B。
  • 线程 2：从账户 B 转账到账户 A。

如果线程 1 先锁定账户 A，线程 2 先锁定账户 B，然后线程 1 尝试锁定账户 B，线程 2 尝试锁定账户 A，就会形成死锁。

6.1.3 解决方案

通过定义统一的锁获取顺序，所有线程都先锁定账户 A，再锁定账户 B，可以避免死锁。

代码示例
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

struct Account {
    std::mutex mtx;
    double balance;
};

void transfer(Account& from, Account& to, double amount) {
    std::lock(from.mtx, to.mtx);  // 一次性获取所有锁
    std::lock_guard<std::mutex> lock1(from.mtx, std::adopt_lock);
    std::lock_guard<std::mutex> lock2(to.mtx, std::adopt_lock);

    from.balance -= amount;
    to.balance += amount;

    std::cout << "Transferred " << amount << " from Account A to Account B" << std::endl;
}

int main() {
    Account accountA = {std::mutex(), 1000};
    Account accountB = {std::mutex(), 2000};

    std::thread t1([&]() { transfer(accountA, accountB, 100); });
    std::thread t2([&]() { transfer(accountB, accountA, 50); });

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}
代码拆解分析

  1. std::lock(from.mtx, to.mtx)：

    • 一次性获取两个账户的锁，避免死锁。

  2. std::lock_guard<std::mutex> lock1(from.mtx, std::adopt_lock)：

    • 使用 std::lock_guard 管理锁的生命周期。

  3. 转账操作：

    • 从 from 账户扣除金额，增加到 to 账户。

6.2 案例2：分布式系统中的多锁顺序死锁

6.2.1 案例背景

在分布式系统中，多个节点可能需要同时访问共享资源。如果节点之间的锁获取顺序不一致，可能会导致死锁。

6.2.2 死锁原因分析

假设有两个节点：

  • 节点 1：先锁定资源 A，再锁定资源 B。
  • 节点 2：先锁定资源 B，再锁定资源 A。

如果节点 1 锁定资源 A，节点 2 锁定资源 B，然后节点 1 尝试锁定资源 B，节点 2 尝试锁定资源 A，就会形成死锁。

6.2.3 解决方案

通过定义统一的锁获取顺序，所有节点都先锁定资源 A，再锁定资源 B，可以避免死锁。

代码示例
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex resourceA;
std::mutex resourceB;

void node1() {
    std::lock(resourceA, resourceB);  // 一次性获取所有锁
    std::cout << "Node 1 acquired resourceA and resourceB" << std::endl;
    resourceB.unlock();
    resourceA.unlock();
}

void node2() {
    std::lock(resourceA, resourceB);  // 一次性获取所有锁
    std::cout << "Node 2 acquired resourceA and resourceB" << std::endl;
    resourceB.unlock();
    resourceA.unlock();
}

int main() {
    std::thread t1(node1);
    std::thread t2(node2);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}
代码拆解分析

  1. std::lock(resourceA, resourceB)：

    • 一次性获取两个资源的锁，避免死锁。

  2. 解锁操作：

    • 在操作完成后，释放锁。

7. 总结与建议

7.1 多锁顺序死锁的常见误区

  1. 锁的获取顺序不一致：

    • 多个线程以不同的顺序获取锁，容易导致死锁。

  2. 锁的粒度过大：

    • 锁的粒度过大会导致不必要的资源竞争，增加死锁的风险。

  3. 忽略死锁检测工具：

    • 忽略死锁检测工具的使用，可能导致死锁问题被忽视。

7.2 避免死锁的最佳实践

  1. 定义统一的锁获取顺序：

    • 所有线程都按照相同的顺序获取锁，避免循环等待条件。

  2. 使用层次锁：

    • 通过层次锁强制线程按照锁的层次顺序获取锁。

  3. 使用定时锁：

    • 在获取锁时设置超时时间，避免线程无限等待。

  4. 使用无锁编程：

    • 通过原子操作和内存顺序控制实现线程安全，避免锁的使用。

  5. 使用 std::lock：

    • 一次性获取多个锁，避免循环等待条件。

7.3 未来发展方向：无锁编程与分布式锁

  1. 无锁编程：

    • 无锁编程通过原子操作和内存顺序控制实现线程安全，避免了锁的使用，是未来并发编程的重要方向。

  2. 分布式锁：

    • 在分布式系统中，分布式锁可以确保多个节点之间的资源访问顺序，避免死锁问题。常见的分布式锁实现包括 ZooKeeper、Redis 等。

通过以上内容，我们详细探讨了多锁顺序导致的死锁问题及其解决方案。希望这些内容能够帮助你在实际开发中更好地理解和避免死锁问题。