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死锁，计算机系统中的隐形杀手

19893520791天前Golang3

死锁是计算机系统中一种常见的资源竞争问题，当多个进程或线程因互相等待对方释放资源而陷入无限阻塞时，就会发生死锁，这种现象通常由四个必要条件共同触发：互斥条件、占有并等待、非抢占条件和循环等待，死锁会导致系统性能急剧下降甚至完全瘫痪，尤其在数据库、操作系统等并发场景中危害显著。，常见的解决方案包括死锁预防（破坏四个必要条件之一）、死锁避免（如银行家算法动态分配资源）以及死锁检测与恢复（通过资源分配图检测并强制终止进程），尽管无法彻底消除死锁，但通过合理的资源调度、超时机制和编程规范（如按固定顺序获取锁），可以显著降低其发生概率，理解死锁原理对开发高可靠性系统至关重要。

什么是死锁？

死锁是指两个或多个进程（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，导致这些进程都无法继续执行下去，就像两个人站在门口互相谦让，谁也不肯先走，结果谁都无法通过。

死锁的典型例子包括：

哲学家就餐问题：五位哲学家围坐在圆桌旁，每人左右各有一把叉子，只有当哲学家同时拿到左右两把叉子时才能吃饭，如果所有哲学家同时拿起左边的叉子，并等待右边的叉子，就会陷入死锁。
银行家算法：多个客户申请有限数量的贷款，如果分配不当，可能导致所有客户都无法完成交易。

死锁产生的四个必要条件

死锁的发生必须同时满足以下四个条件,缺一不可：

互斥条件（Mutual Exclusion）
资源一次只能由一个进程占用，其他进程必须等待该资源释放后才能使用，打印机一次只能处理一个打印任务。
占有并等待（Hold and Wait）
进程已经持有至少一个资源，并且正在等待获取其他被占用的资源。
非抢占条件（No Preemption）
进程已获得的资源不能被其他进程强行剥夺，必须由进程自行释放。
循环等待（Circular Wait）
存在一个进程等待的循环链，进程A等待进程B的资源，进程B等待进程C的资源，而进程C又在等待进程A的资源。

如果这四个条件同时成立,死锁必然发生，预防死锁的关键在于破坏其中一个或多个条件。

死锁的预防与避免

死锁预防（Deadlock Prevention）

死锁预防的核心是破坏死锁的四个必要条件之一，具体方法包括：

破坏互斥条件：允许资源共享，如只读文件可以被多个进程同时访问。
破坏占有并等待：要求进程在运行前一次性申请所有资源，否则不分配任何资源（如银行家算法）。
破坏非抢占条件：允许系统强制回收某些资源（如内存管理中的抢占式调度）。
破坏循环等待：采用资源有序分配法，强制进程按固定顺序申请资源，避免循环依赖。

死锁避免（Deadlock Avoidance）

死锁避免的核心是动态检测资源分配状态，确保系统不会进入不安全状态，常用的算法包括：

银行家算法（Banker's Algorithm）
模拟资源分配，判断是否会导致死锁，只有在安全状态下才分配资源。

死锁检测与恢复（Deadlock Detection and Recovery）

如果无法完全预防死锁,可以采用检测和恢复机制：

死锁检测：定期检查资源分配图（Resource Allocation Graph, RAG），判断是否存在环路。
死锁恢复：
- 进程终止：强制终止部分进程以释放资源（如选择优先级最低的进程）。
- 资源抢占：回滚某些进程的状态，释放资源并重新分配。

死锁在实际系统中的应用

操作系统中的死锁

在操作系统中,死锁可能发生在：

内存管理：多个进程竞争内存页框时可能死锁。
文件系统：多个进程同时请求文件锁时可能互相阻塞。
线程同步：多个线程因锁竞争而陷入死锁（如Java中的synchronized块嵌套导致死锁）。

数据库系统中的死锁

数据库事务（Transaction）在执行时可能因锁竞争而死锁。

-- 事务1
BEGIN;
UPDATE accounts SET balance = balance - 100 WHERE id = 1;
UPDATE accounts SET balance = balance + 100 WHERE id = 2;
COMMIT;
-- 事务2
BEGIN;
UPDATE accounts SET balance = balance - 50 WHERE id = 2;
UPDATE accounts SET balance = balance + 50 WHERE id = 1;
COMMIT;

如果事务1锁定了id=1的记录，事务2锁定了id=2的记录，两者互相等待，就会死锁，数据库系统通常采用超时机制或死锁检测来解除死锁。