在 Linux 下進(jìn)行多線程編程時，線程同步是至關(guān)重要的部分，尤其是在多個線程需要共享資源的場景中。盡管同步機(jī)制能夠解決競爭條件，但它也帶來了死鎖的風(fēng)險。死鎖是指多個線程互相等待對方釋放鎖而導(dǎo)致永遠(yuǎn)無法繼續(xù)執(zhí)行的現(xiàn)象。為了避免死鎖，可以從破壞導(dǎo)致死鎖的四個必要條件入手。本文將從這四個條件展開，探討如何通過破壞這些條件來避免死鎖。

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死鎖的四個必要條件

根據(jù)操作系統(tǒng)中的經(jīng)典理論，死鎖的產(chǎn)生必須滿足以下四個必要條件：

1. 互斥條件：某些資源是只能被一個線程獨(dú)占使用的。
2. 持有并等待條件：一個線程已經(jīng)持有了某個資源，同時它在等待獲取其他線程持有的資源。
3. 不可剝奪條件：已經(jīng)獲得的資源不能被強(qiáng)行剝奪，線程只能主動釋放資源。
4. 循環(huán)等待條件：存在一個線程循環(huán)等待的鏈，鏈中的每個線程都在等待下一個線程持有的資源。

為了避免死鎖，可以通過破壞至少其中一個條件來打破死鎖局面。下面，我們將詳細(xì)探討這四個條件以及如何在 Linux 下的線程同步機(jī)制中破壞這些條件來避免死鎖。

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破壞死鎖條件的方法

破壞互斥條件

互斥條件是指某些資源只能被一個線程獨(dú)占使用，無法同時被多個線程訪問。在某些情況下，我們可以通過將資源轉(zhuǎn)換為可共享的資源來破壞互斥條件，從而避免死鎖。

使用讀寫鎖（pthread_rwlock_t）

讀寫鎖允許多個線程同時讀取數(shù)據(jù)，而只有在寫操作時需要獨(dú)占鎖。這種機(jī)制可以提高并發(fā)性，避免因讀操作而產(chǎn)生死鎖。

pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;void* reader(void* arg) {pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); // 獲取讀鎖// 執(zhí)行讀操作pthread_rwlock_unlock(&rwlock); // 釋放鎖return NULL;
}void* writer(void* arg) {pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); // 獲取寫鎖// 執(zhí)行寫操作pthread_rwlock_unlock(&rwlock); // 釋放鎖return NULL;
}

通過使用讀寫鎖，我們可以允許多個線程并發(fā)讀取數(shù)據(jù)，從而減少死鎖的可能性。

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破壞持有并等待條件

持有并等待條件指的是一個線程持有一個資源，同時等待其他資源的情況。為了避免這種情況，我們可以在申請資源之前，確保線程不占有其他資源，或者一次性申請所有所需資源。

一次性申請所有資源

如果線程需要多個資源，可以采用一次性申請所有資源的策略。即，線程只有在能夠獲取所有資源時才會繼續(xù)執(zhí)行，否則會釋放已經(jīng)持有的資源，避免持有并等待的發(fā)生。

pthread_mutex_t lock1, lock2;void* task(void* arg) {// 一次性申請所有資源if (pthread_mutex_trylock(&lock1) == 0) {if (pthread_mutex_trylock(&lock2) == 0) {// 執(zhí)行任務(wù)pthread_mutex_unlock(&lock2);}pthread_mutex_unlock(&lock1);}return NULL;
}

通過一次性申請資源，線程要么成功獲取所有資源并繼續(xù)執(zhí)行，要么立即釋放資源，減少持有并等待的風(fēng)險。

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破壞不可剝奪條件

不可剝奪條件是指資源一旦被線程占有，其他線程就無法強(qiáng)制剝奪。我們可以引入超時機(jī)制或設(shè)計(jì)自愿釋放機(jī)制來打破這一條件。

使用超時鎖定機(jī)制

我們可以通過使用 pthread_mutex_trylock() 或在某些高級鎖機(jī)制中使用超時鎖定機(jī)制，讓線程在等待資源時不會無限期等待。如果線程無法在規(guī)定的時間內(nèi)獲得資源，它可以選擇放棄并執(zhí)行其他操作。

pthread_mutex_t lock;void* task(void* arg) {if (pthread_mutex_trylock(&lock) == 0) {// 成功獲取鎖，執(zhí)行任務(wù)pthread_mutex_unlock(&lock);} else {// 獲取鎖失敗，執(zhí)行其他操作或等待一段時間后重試}return NULL;
}

通過這種方式，線程不會無限期地等待資源，從而避免了死鎖的發(fā)生。

可重入鎖（遞歸鎖）

遞歸鎖（pthread_mutex_t 使用 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 屬性初始化）允許同一線程多次鎖定同一個互斥鎖，而不發(fā)生死鎖。當(dāng)線程完成任務(wù)后，它需要相應(yīng)次數(shù)地解鎖。

pthread_mutex_t recursive_mutex;pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
pthread_mutex_init(&recursive_mutex, &attr);

遞歸鎖通過允許同一線程多次鎖定相同的資源，避免了某些遞歸調(diào)用中的死鎖風(fēng)險。

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破壞循環(huán)等待條件

循環(huán)等待條件是指存在一個線程循環(huán)等待鏈，每個線程都在等待下一個線程持有的資源。我們可以通過強(qiáng)制規(guī)定獲取鎖的順序來打破循環(huán)等待。

統(tǒng)一鎖順序

為避免循環(huán)等待，所有線程都應(yīng)按照相同的順序請求資源。例如，如果所有線程都按順序 lock1 -> lock2 -> lock3 獲取鎖，便不會產(chǎn)生循環(huán)等待。

pthread_mutex_t lock1, lock2;void* task1(void* arg) {pthread_mutex_lock(&lock1); // 按照固定順序加鎖pthread_mutex_lock(&lock2);// 執(zhí)行任務(wù)pthread_mutex_unlock(&lock2);pthread_mutex_unlock(&lock1);
}void* task2(void* arg) {pthread_mutex_lock(&lock1); // 同樣的順序pthread_mutex_lock(&lock2);// 執(zhí)行任務(wù)pthread_mutex_unlock(&lock2);pthread_mutex_unlock(&lock1);
}

通過保持鎖的獲取順序一致，線程避免了陷入循環(huán)等待，從而有效地防止死鎖。