Python中死鎖的形成示例及死鎖情況的防止

更新時間：2016年06月14日 16:49:21 作者：mattkang

由于Python中允許創(chuàng)建多個線程,那么互斥鎖或者線程同時獲取多個鎖的情況就有可能發(fā)生,這里我們就來看一下Python中死鎖的形成示例及死鎖情況的防止:

死鎖示例
搞多線程的經(jīng)常會遇到死鎖的問題，學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的時候會講到死鎖相關(guān)的東西，我們用Python直觀的演示一下。
死鎖的一個原因是互斥鎖。假設(shè)銀行系統(tǒng)中，用戶a試圖轉(zhuǎn)賬100塊給用戶b，與此同時用戶b試圖轉(zhuǎn)賬200塊給用戶a，則可能產(chǎn)生死鎖。
2個線程互相等待對方的鎖，互相占用著資源不釋放。

#coding=utf-8 
import time 
import threading 
class Account: 
  def __init__(self, _id, balance, lock): 
    self.id = _id 
    self.balance = balance 
    self.lock = lock 
 
  def withdraw(self, amount): 
    self.balance -= amount 
 
  def deposit(self, amount): 
    self.balance += amount 
 
 
def transfer(_from, to, amount): 
  if _from.lock.acquire():#鎖住自己的賬戶 
    _from.withdraw(amount) 
    time.sleep(1)#讓交易時間變長，2個交易線程時間上重疊，有足夠時間來產(chǎn)生死鎖 
    print 'wait for lock...' 
    if to.lock.acquire():#鎖住對方的賬戶 
      to.deposit(amount) 
      to.lock.release() 
    _from.lock.release() 
  print 'finish...' 
 
a = Account('a',1000, threading.Lock()) 
b = Account('b',1000, threading.Lock()) 
threading.Thread(target = transfer, args = (a, b, 100)).start() 
threading.Thread(target = transfer, args = (b, a, 200)).start()

防止死鎖的加鎖機(jī)制
問題：
你正在寫一個多線程程序，其中線程需要一次獲取多個鎖，此時如何避免死鎖問題。
解決方案：
在多線程程序中，死鎖問題很大一部分是由于線程同時獲取多個鎖造成的。舉個例子：一個線程獲取了第一個鎖，然后在獲取第二個鎖的時候發(fā)生阻塞，那么這個線程就可能阻塞其他線程的執(zhí)行，從而導(dǎo)致整個程序假死。解決死鎖問題的一種方案是為程序中的每一個鎖分配一個唯一的id，然后只允許按照升序規(guī)則來使用多個鎖，這個規(guī)則使用上下文管理器是非常容易實現(xiàn)的，示例如下：

import threading
from contextlib import contextmanager

# Thread-local state to stored information on locks already acquired
_local = threading.local()

@contextmanager
def acquire(*locks):
  # Sort locks by object identifier
  locks = sorted(locks, key=lambda x: id(x))

  # Make sure lock order of previously acquired locks is not violated
  acquired = getattr(_local,'acquired',[])
  if acquired and max(id(lock) for lock in acquired) >= id(locks[0]):
    raise RuntimeError('Lock Order Violation')

  # Acquire all of the locks
  acquired.extend(locks)
  _local.acquired = acquired

  try:
    for lock in locks:
      lock.acquire()
    yield
  finally:
    # Release locks in reverse order of acquisition
    for lock in reversed(locks):
      lock.release()
    del acquired[-len(locks):]

如何使用這個上下文管理器呢？你可以按照正常途徑創(chuàng)建一個鎖對象，但不論是單個鎖還是多個鎖中都使用 acquire() 函數(shù)來申請鎖，示例如下：

import threading
x_lock = threading.Lock()
y_lock = threading.Lock()

def thread_1():
  while True:
    with acquire(x_lock, y_lock):
      print('Thread-1')

def thread_2():
  while True:
    with acquire(y_lock, x_lock):
      print('Thread-2')

t1 = threading.Thread(target=thread_1)
t1.daemon = True
t1.start()

t2 = threading.Thread(target=thread_2)
t2.daemon = True
t2.start()

如果你執(zhí)行這段代碼，你會發(fā)現(xiàn)它即使在不同的函數(shù)中以不同的順序獲取鎖也沒有發(fā)生死鎖。其關(guān)鍵在于，在第一段代碼中，我們對這些鎖進(jìn)行了排序。通過排序，使得不管用戶以什么樣的順序來請求鎖，這些鎖都會按照固定的順序被獲取。如果有多個 acquire() 操作被嵌套調(diào)用，可以通過線程本地存儲（TLS）來檢測潛在的死鎖問題。假設(shè)你的代碼是這樣寫的：

import threading
x_lock = threading.Lock()
y_lock = threading.Lock()

def thread_1():

  while True:
    with acquire(x_lock):
      with acquire(y_lock):
        print('Thread-1')

def thread_2():
  while True:
    with acquire(y_lock):
      with acquire(x_lock):
        print('Thread-2')

t1 = threading.Thread(target=thread_1)
t1.daemon = True
t1.start()

t2 = threading.Thread(target=thread_2)
t2.daemon = True
t2.start()

如果你運行這個版本的代碼，必定會有一個線程發(fā)生崩潰，異常信息可能像這樣：

Exception in thread Thread-1:
Traceback (most recent call last):
 File "/usr/local/lib/python3.3/threading.py", line 639, in _bootstrap_inner
  self.run()
 File "/usr/local/lib/python3.3/threading.py", line 596, in run
  self._target(*self._args, **self._kwargs)
 File "deadlock.py", line 49, in thread_1
  with acquire(y_lock):
 File "/usr/local/lib/python3.3/contextlib.py", line 48, in __enter__
  return next(self.gen)
 File "deadlock.py", line 15, in acquire
  raise RuntimeError("Lock Order Violation")
RuntimeError: Lock Order Violation
>>>

發(fā)生崩潰的原因在于，每個線程都記錄著自己已經(jīng)獲取到的鎖。 acquire() 函數(shù)會檢查之前已經(jīng)獲取的鎖列表，由于鎖是按照升序排列獲取的，所以函數(shù)會認(rèn)為之前已獲取的鎖的id必定小于新申請到的鎖，這時就會觸發(fā)異常。

討論
死鎖是每一個多線程程序都會面臨的一個問題（就像它是每一本操作系統(tǒng)課本的共同話題一樣）。根據(jù)經(jīng)驗來講，盡可能保證每一個線程只能同時保持一個鎖，這樣程序就不會被死鎖問題所困擾。一旦有線程同時申請多個鎖，一切就不可預(yù)料了。

死鎖的檢測與恢復(fù)是一個幾乎沒有優(yōu)雅的解決方案的擴(kuò)展話題。一個比較常用的死鎖檢測與恢復(fù)的方案是引入看門狗計數(shù)器。當(dāng)線程正常運行的時候會每隔一段時間重置計數(shù)器，在沒有發(fā)生死鎖的情況下，一切都正常進(jìn)行。一旦發(fā)生死鎖，由于無法重置計數(shù)器導(dǎo)致定時器超時，這時程序會通過重啟自身恢復(fù)到正常狀態(tài)。

避免死鎖是另外一種解決死鎖問題的方式，在進(jìn)程獲取鎖的時候會嚴(yán)格按照對象id升序排列獲取，經(jīng)過數(shù)學(xué)證明，這樣保證程序不會進(jìn)入死鎖狀態(tài)。證明就留給讀者作為練習(xí)了。避免死鎖的主要思想是，單純地按照對象id遞增的順序加鎖不會產(chǎn)生循環(huán)依賴，而循環(huán)依賴是死鎖的一個必要條件，從而避免程序進(jìn)入死鎖狀態(tài)。

下面以一個關(guān)于線程死鎖的經(jīng)典問題：“哲學(xué)家就餐問題”，作為本節(jié)最后一個例子。題目是這樣的：五位哲學(xué)家圍坐在一張桌子前，每個人面前有一碗飯和一只筷子。在這里每個哲學(xué)家可以看做是一個獨立的線程，而每只筷子可以看做是一個鎖。每個哲學(xué)家可以處在靜坐、思考、吃飯三種狀態(tài)中的一個。需要注意的是，每個哲學(xué)家吃飯是需要兩只筷子的，這樣問題就來了：如果每個哲學(xué)家都拿起自己左邊的筷子，那么他們五個都只能拿著一只筷子坐在那兒，直到餓死。此時他們就進(jìn)入了死鎖狀態(tài)。下面是一個簡單的使用死鎖避免機(jī)制解決“哲學(xué)家就餐問題”的實現(xiàn)：

import threading

# The philosopher thread
def philosopher(left, right):
  while True:
    with acquire(left,right):
       print(threading.currentThread(), 'eating')

# The chopsticks (represented by locks)
NSTICKS = 5
chopsticks = [threading.Lock() for n in range(NSTICKS)]

# Create all of the philosophers
for n in range(NSTICKS):
  t = threading.Thread(target=philosopher,
             args=(chopsticks[n],chopsticks[(n+1) % NSTICKS]))
  t.start()

最后，要特別注意到，為了避免死鎖，所有的加鎖操作必須使用 acquire() 函數(shù)。如果代碼中的某部分繞過acquire 函數(shù)直接申請鎖，那么整個死鎖避免機(jī)制就不起作用了。

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