多線程編程是現代軟件開發(fā)中的一項重要技術，但隨之而來的挑戰(zhàn)之一是多線程死鎖。多線程死鎖是程序中的一種常見問題，它會導致線程相互等待，陷入無法繼續(xù)執(zhí)行的狀態(tài)。這里，我們將探討多線程死鎖的概念、原理，同時我們通過一個例子來介紹如何使用GDB（GNU Debugger）這一工具來排查和解決多線程死鎖問題。
多線程死鎖的概念
多線程死鎖是多線程編程中的一種關鍵問題。它發(fā)生在多個線程試圖獲取一組資源（通常是鎖或資源對象）時，導致彼此相互等待的情況。具體來說，當線程1持有資源A并等待資源B，而線程2持有資源B并等待資源A時，就可能發(fā)生死鎖。
多線程死鎖原理
為了更好地理解多線程死鎖的原理，讓我們考慮一個簡單的示例。假設有兩個資源A和B，以及兩個線程（Thread 1和Thread 2）。線程1需要獲取資源A和B，線程2需要獲取資源B和A。如果線程1獲取了資源A，而線程2獲取了資源B，它們都無法繼續(xù)，因為它們都需要對方持有的資源才能繼續(xù)。這就是典型的死鎖情況。
多線程死鎖通常發(fā)生在以下情況下：
- 線程同時持有一個資源并等待另一個資源。
- 資源分配不當，線程沒有按照相同的順序獲取資源。
多線程死鎖之所以會發(fā)生，是因為線程之間的相互依賴和等待。當多個線程需要共享資源時，它們可能會按不同的順序獲取這些資源，導致資源互斥問題，最終引發(fā)死鎖。
排查多線程死鎖
GDB是一個強大的調試工具，可以用來排查多線程死鎖問題。下面通過一個例子來說下如何使用gdb調試死鎖問題，這也是前段時間我碰鎖問題新學到的技能。
簡單的代碼如下：
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
pthread_mutex_t mutex1 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex2 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t exit_condition = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int should_exit = 0;
void *thread1_function(void *arg) {
while (1) {
printf("Thread 1: Attempting to acquire mutex1...n");
pthread_mutex_lock(&mutex1);
printf("Thread 1: Acquired mutex1.n");
printf("Thread 1: Attempting to acquire mutex2...n");
pthread_mutex_lock(&mutex2);
printf("Thread 1: Acquired mutex2.n");
// 在此處檢查是否應該退出
if (should_exit) {
pthread_mutex_unlock(&mutex2);
pthread_mutex_unlock(&mutex1);
break;
}
pthread_mutex_unlock(&mutex1);
pthread_mutex_unlock(&mutex2);
}
printf("Thread 1 exit done!n");
pthread_exit(NULL);
}
void *thread2_function(void *arg) {
sleep(5); // 讓線程2休眠10秒鐘
printf("Thread 2: Attempting to acquire mutex2...n");
pthread_mutex_lock(&mutex2);
printf("Thread 2: Acquired mutex2.n");
printf("Thread 2: Notifying Thread 1 to exit...n");
should_exit = 1;
pthread_cond_signal(&exit_condition);
//通過不釋放該鎖制造死鎖
pthread_mutex_unlock(&mutex2);
printf("Thread 2 exit done!n");
//exit執(zhí)行后不會再執(zhí)行該函數后面部分
pthread_exit(NULL);
}
int mAIn() {
pthread_t thread1, thread2;
pthread_create(&thread1, NULL, thread1_function, NULL);
pthread_create(&thread2, NULL, thread2_function, NULL);
pthread_join(thread1, NULL);
pthread_join(thread2, NULL);
return 0;
}
代碼很簡單，通過創(chuàng)建兩個線程，線程1睡眠5s為mutex2加鎖并通知線程1進行退出，之后線程2退出，線程1是個while循環(huán)，不停的對mutex1進行加解鎖，并加鎖后檢測是否退出，退出則對mutex2進行加鎖打印，然后釋放mutex1、mutex2進行退出。
使用：gcc thread.c -g -lpthread -o thread編譯，因為要gdb調試所以需要帶上-g參數，正常現象會執(zhí)行結束打印如下：
現在我們屏蔽掉線程2釋放mutex2進行死鎖調試：
void *thread2_function(void *arg) {
sleep(5); // 讓線程2休眠10秒鐘
printf("Thread 2: Attempting to acquire mutex2...n");
pthread_mutex_lock(&mutex2);
printf("Thread 2: Acquired mutex2.n");
printf("Thread 2: Notifying Thread 1 to exit...n");
should_exit = 1;
pthread_cond_signal(&exit_condition);
//通過不釋放該鎖制造死鎖
//pthread_mutex_unlock(&mutex2);
printf("Thread 2 exit done!n");
//exit執(zhí)行后不會再執(zhí)行該函數后面部分
pthread_exit(NULL);
}
實際環(huán)境中我們并不知道死鎖發(fā)生，所以我們通過gdb先運行一次直到程序無法正常退出時，執(zhí)行bt查看堆棧：
這里因為加了打印所以很快可以看到mutex2上鎖那里卡住，實際環(huán)境會有很多線程運行，我們并不直到哪里會有問題，此時只能通過bt查看堆棧我們發(fā)現卡在函數__futex_abstimed_wait_common64，運行到./nptl/futex-internal.c文件第57行。
這里我們只需要知道該函數__futex_abstimed_wait_common64是linux內核中用于處理互斥鎖等待超時的一個內部函數即可。
此時可以斷定代碼存在死鎖問題了，我們繼續(xù)排查。
我們繼續(xù)看bt信息，發(fā)現該等待是從#4 0x00005555555553c8 in main () at thread.c:59調入的，因為前面是#4，所以使用f 4進入該函數。
我們發(fā)現是main里調入，同時在執(zhí)行thread1的pthread_join，所以前面的__futex_abstimed_wait_common64并不是我們真正要找的問題，其實thread1已經來到了join的位置，等待結束了。我們繼續(xù)執(zhí)行thread Apply all bt把所有線程堆棧打出來看下：
根據前面分析thread 1已經正常退出了，我們這里看到thread 2卡在futex_wait，根據上下文非常明顯是在等待futex lock，再往下看我們發(fā)現鎖mutex2，這里就是thread2在等待mutex2，那么mutex2被誰lock住沒釋放呢？我們通過p mutex2來查看owner即可知道該鎖被誰擁有。
這里有個問題，是因為該代碼恰巧thread 1退出等待join了，所以這里的23890是個內核線程，在持有著mutex2，實際環(huán)境中我們會看到owner大概會是info threads中的LWP，于是就可以定位到該鎖被誰持有沒有釋放了，再分析代碼即可。
我把thread 1再改下，不直接退出而是一直while(1)的形態(tài)來測試，此時再通過上述來查找mutex2被誰持有即可直觀看到：
