Multithreading-Konzepte Teil Deadlock

Willkommen zu Teil 3 unserer Multithreading-Serie!

• In Teil 1 haben wir Atomizität und Unveränderlichkeit untersucht.
• In Teil 2 haben wir über Hungern gesprochen.

In diesem Teil befassen wir uns mit der Mechanik von Deadlock beim Multithreading. Was verursacht es? Wie Sie vorbeugende Strategien identifizieren und vermeiden können, dass Ihr Code zu einem Stillstand an der Schnittstelle wird. Die Anwendung kommt zum Stillstand, oft ohne sichtbare Fehler, was die Entwickler verwirrt und die Systeme einfriert.

Navigieren durch die komplexen Spuren der Parallelität

Eine nützliche Analogie zum Verständnis des Stillstands besteht darin, sich ein Eisenbahnnetz mit mehreren Zügen auf sich kreuzenden Gleisen vorzustellen.

Da jeder Zug darauf wartet, dass der nächste fährt, kann keiner weiterfahren, was zu einem Stillstand führt. In diesem Szenario erlaubte das ineffiziente Signalsystem jedem Zug, in seinen jeweiligen Abschnitt einzufahren, ohne vorher zu bestätigen, dass der nächste Abschnitt frei sein würde, wodurch alle Züge in einem unzerbrechlichen Kreislauf gefangen waren.

Dieses Zugbeispiel veranschaulicht einen typischen Deadlock beim Multithreading, bei dem Threads (wie die Züge) Ressourcen (Gleisabschnitte) festhalten, während sie darauf warten, dass andere Ressourcen freigegeben werden, aber keiner fortfahren kann. Um diese Art von Deadlock in der Software zu verhindern, müssen wirksame Ressourcenmanagementstrategien – analog zu einer intelligenteren Eisenbahnsignalisierung – implementiert werden, um zirkuläre Abhängigkeiten zu vermeiden und einen sicheren Durchgang für jeden Thread zu gewährleisten.

1. Was ist Deadlock?

Deadlock ist eine Situation, in der Threads (oder Prozesse) auf unbestimmte Zeit blockiert sind und auf Ressourcen warten, die andere Threads halten. Dieses Szenario führt zu einem unzerbrechlichen Kreislauf von Abhängigkeiten, in dem kein beteiligter Thread Fortschritte machen kann. Bevor Sie sich mit den Methoden zur Erkennung, Vorbeugung und Lösung befassen, müssen Sie die Grundlagen von Deadlocks verstehen.

2. Bedingungen für Deadlock

Damit ein Deadlock auftritt, müssen vier Bedingungen gleichzeitig erfüllt sein, die sogenannten Coffman-Bedingungen:

• Gegenseitiger Ausschluss: Mindestens eine Ressource muss in einem nicht gemeinsam nutzbaren Modus gehalten werden, was bedeutet, dass sie jeweils nur von einem Thread verwendet werden kann.

• Halten und warten: Ein Thread muss eine Ressource halten und darauf warten, zusätzliche Ressourcen zu erhalten, die andere Threads halten.

• Keine Präemption: Ressourcen können Threads nicht gewaltsam entzogen werden. Sie müssen freiwillig freigelassen werden.

• Circular Wait: Es existiert eine geschlossene Kette von Threads, wobei jeder Thread mindestens eine Ressource enthält, die vom nächsten Thread in der Kette benötigt wird.

Verstehen wir es als Sequenzdiagramm

In der Animation oben:

• Thread A hält Ressource 1 und wartet auf Ressource 2
• Während Thread B Ressource 2 hält und auf Ressource 1 wartet

Alle vier oben genannten Bedingungen für einen Deadlock liegen vor, was zu einer unbestimmten Blockierung führt. Wenn Sie einen von ihnen brechen, können Sie einen Deadlock verhindern.

3. Deadlock erkennen/überwachen

Das Erkennen von Deadlocks, insbesondere bei großen Anwendungen, kann eine Herausforderung sein. Die folgenden Ansätze können jedoch dabei helfen, Deadlocks zu erkennen

• Tools: Javas JConsole, VisualVM und Thread-Analysatoren in IDEs können Deadlocks in Echtzeit erkennen.
• Thread-Dumps und Protokolle: Durch die Analyse von Thread-Dumps können wartende Threads und die darin enthaltenen Ressourcen aufgedeckt werden.

Eine detaillierte Übersicht zum Debuggen/Überwachen von Deadlocks finden Sie unter Debuggen und Überwachen von Deadlocks mit VisualVM und jstack

4. Strategien zur Deadlock-Prävention

• Anwenden der Wait-Die- und Wound-Wait-Schemata
  Wait-Die-Schema: Wenn ein Thread eine Sperre anfordert, die von einem anderen Thread gehalten wird, bewertet die Datenbank die relative Priorität (normalerweise basierend auf dem Zeitstempel jedes Threads). Wenn der anfordernde Thread eine höhere Priorität hat, wartet er; andernfalls stirbt es ab (neu gestartet).
  Wound-Wait-Schema: Wenn der anfordernde Thread eine höhere Priorität hat, verwundet (bevorzugt) er den Thread mit niedrigerer Priorität, indem er ihn zwingt, die Sperre aufzuheben.

• Unveränderliche Objekte für den gemeinsamen Status
  Gestalten Sie den gemeinsamen Zustand nach Möglichkeit als unveränderlich. Da unveränderliche Objekte nicht geändert werden können, erfordern sie keine Sperren für den gleichzeitigen Zugriff, wodurch das Risiko eines Deadlocks verringert und der Code vereinfacht wird.

• Verwenden von tryLock mit Timeout für den Sperrenerwerb: Im Gegensatz zu einem standardmäßigen synchronisierten Block ermöglicht ReentrantLock die Verwendung von tryLock(timeout, unit), um zu versuchen, innerhalb eines bestimmten Zeitraums eine Sperre zu erwerben. Wenn die Sperre nicht innerhalb dieser Zeit erlangt wird, gibt sie Ressourcen frei und verhindert so eine unbefristete Blockierung.
  

ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();

public void acquireLocks() {
    try {
        if (lock1.tryLock(100, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
            try {
                if (lock2.tryLock(100, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                    // Critical section
                }
            } finally {
                lock2.unlock();
            }
        }
    } catch (InterruptedException e) {
        Thread.currentThread().interrupt();
    } finally {
        lock1.unlock();
    }
}

• Bestellung und Freigabe sperren Legen Sie eine strenge, globale Reihenfolge für den Sperrenerwerb fest. Wenn alle Threads in einer konsistenten Reihenfolge Sperren erwerben, ist es weniger wahrscheinlich, dass sich zyklische Abhängigkeiten bilden, wodurch Deadlocks vermieden werden. Erwerben Sie beispielsweise in der gesamten Codebasis immer Lock1 vor Lock2. Diese Vorgehensweise kann bei größeren Anwendungen eine Herausforderung darstellen, ist jedoch sehr effektiv bei der Reduzierung des Deadlock-Risikos.

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockOrderingExample {

    private static final Lock lock1 = new ReentrantLock();
    private static final Lock lock2 = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            acquireLocksInOrder(lock1, lock2);
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            acquireLocksInOrder(lock1, lock2);
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
    }

    private static void acquireLocksInOrder(Lock firstLock, Lock secondLock) {
        try {
            firstLock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired lock1");

            secondLock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired lock2");

            // Perform some operations

        } finally {
            secondLock.unlock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released lock2");

            firstLock.unlock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released lock1");
        }
    }
}

• Thread-sichere/gleichzeitige Sammlungen verwenden: Das java.util.concurrent-Paket von Java bietet threadsichere Implementierungen gängiger Datenstrukturen (ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList usw.), die die Synchronisierung intern verarbeiten und so die Anzahl der Daten reduzieren die Notwendigkeit expliziter Sperren. Diese Sammlungen minimieren Deadlocks, da sie mithilfe von Techniken wie interner Partitionierung die Notwendigkeit einer expliziten Sperrung vermeiden sollen.

• Verschachtelte Sperren vermeiden
  Minimieren Sie den Erwerb mehrerer Sperren innerhalb desselben Blocks, um zirkuläre Abhängigkeiten zu vermeiden. Wenn verschachtelte Sperren erforderlich sind, verwenden Sie eine konsistente Sperrreihenfolge

Wichtige Erkenntnisse für Softwareentwickler

• Immer wenn Sie ein Design erstellen, das eine Sperre erfordert, besteht die Möglichkeit von Deadlocks.
• Deadlock ist ein Blockierungsproblem, das durch einen Zyklus von Abhängigkeiten zwischen Prozessen verursacht wird. Kein Prozess kann Fortschritte machen, da jeder auf eine Ressource wartet, die von einem anderen gehalten wird, und keiner kann mit der Freigabe von Ressourcen fortfahren.
• Deadlock ist schwerwiegender, da er die beteiligten Prozesse vollständig anhält und zur Wiederherstellung den Deadlock-Zyklus durchbrechen muss.
• Deadlock kann nur auftreten, wenn es zwei verschiedene Sperren gibt, d. h. wenn Sie eine Sperre halten und darauf warten, dass eine andere Sperre freigegeben wird. (Es gibt jedoch weitere Bedingungen für Deadlocks).
• Thread-Sicherheit bedeutet nicht Deadlock-frei. Es garantiert lediglich, dass der Code entsprechend seiner Schnittstelle funktioniert, selbst wenn er von mehreren Threads aufgerufen wird. Um eine Klasse threadsicher zu machen, gehört normalerweise das Hinzufügen von Sperren dazu, eine sichere Ausführung zu gewährleisten.

Outro

Ob Sie ein Anfänger oder ein erfahrener Entwickler sind, das Verständnis von Deadlocks ist entscheidend für das Schreiben von robustem, effizientem Code in gleichzeitigen Systemen. In diesem Artikel haben wir untersucht, was Deadlocks sind, welche Ursachen sie haben und wie man sie praktisch verhindern kann. Durch die Implementierung effektiver Ressourcenzuweisungsstrategien, die Analyse von Aufgabenabhängigkeiten und den Einsatz von Tools wie Thread-Dumps und Deadlock-Erkennungstools können Entwickler das Deadlock-Risiko minimieren und ihren Code für eine reibungslose Parallelität optimieren.

Während wir unsere Reise durch die Kernkonzepte des Multithreadings fortsetzen, bleiben Sie gespannt auf die nächsten Artikel dieser Serie. Wir werden uns mit Kritischen Abschnitten befassen und verstehen, wie gemeinsam genutzte Ressourcen zwischen mehreren Threads sicher verwaltet werden. Wir werden auch das Konzept der Race Conditions diskutieren, ein häufiges Parallelitätsproblem, das zu unvorhersehbarem Verhalten und Fehlern führen kann, wenn es nicht aktiviert wird.

Mit jedem Schritt erhalten Sie tiefere Einblicke, wie Sie Ihre Anwendungen threadsicher, effizient und belastbar machen. Erweitern Sie weiterhin die Grenzen Ihres Multithreading-Wissens, um bessere und leistungsfähigere Software zu entwickeln!

Referenzen

• Stackoverflow
• Infografiken
• So erkennen und beheben Sie Deadlocks

Das obige ist der detaillierte Inhalt vonMultithreading-Konzepte Teil Deadlock. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!