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Python中死鎖的形成示例及死鎖情況的防止

 更新時(shí)間:2016年06月14日 16:49:21   作者:mattkang  
由于Python中允許創(chuàng)建多個(gè)線程,那么互斥鎖或者線程同時(shí)獲取多個(gè)鎖的情況就有可能發(fā)生,這里我們就來(lái)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(huì)遇到死鎖的問(wèn)題,學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的時(shí)候會(huì)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(gè)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(shí)用戶b試圖轉(zhuǎn)賬200塊給用戶a,則可能產(chǎn)生死鎖。
2個(gè)線程互相等待對(duì)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(shí)間變長(zhǎng),2個(gè)交易線程時(shí)間上重疊,有足夠時(shí)間來(lái)產(chǎn)生死鎖 
    print 'wait for lock...' 
    if to.lock.acquire():#鎖住對(duì)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(wèn)題:
你正在寫(xiě)一個(gè)多線程程序,其中線程需要一次獲取多個(gè)鎖,此時(shí)如何避免死鎖問(wèn)題。
解決方案:
在多線程程序中,死鎖問(wèn)題很大一部分是由于線程同時(shí)獲取多個(gè)鎖造成的。舉個(gè)例子:一個(gè)線程獲取了第一個(gè)鎖,然后在獲取第二個(gè)鎖的 時(shí)候發(fā)生阻塞,那么這個(gè)線程就可能阻塞其他線程的執(zhí)行,從而導(dǎo)致整個(gè)程序假死。 解決死鎖問(wèn)題的一種方案是為程序中的每一個(gè)鎖分配一個(gè)唯一的id,然后只允許按照升序規(guī)則來(lái)使用多個(gè)鎖,這個(gè)規(guī)則使用上下文管理器 是非常容易實(shí)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(gè)上下文管理器呢?你可以按照正常途徑創(chuàng)建一個(gè)鎖對(duì)象,但不論是單個(gè)鎖還是多個(gè)鎖中都使用 acquire() 函數(shù)來(lái)申請(qǐng)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(huì)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(méi)有發(fā)生死鎖。 其關(guān)鍵在于,在第一段代碼中,我們對(duì)這些鎖進(jìn)行了排序。通過(guò)排序,使得不管用戶以什么樣的順序來(lái)請(qǐng)求鎖,這些鎖都會(huì)按照固定的順序被獲取。 如果有多個(gè) acquire() 操作被嵌套調(diào)用,可以通過(guò)線程本地存儲(chǔ)(TLS)來(lái)檢測(cè)潛在的死鎖問(wèn)題。 假設(shè)你的代碼是這樣寫(xiě)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(yùn)行這個(gè)版本的代碼,必定會(huì)有一個(gè)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(gè)線程都記錄著自己已經(jīng)獲取到的鎖。 acquire() 函數(shù)會(huì)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(huì)認(rèn)為之前已獲取的鎖的id必定小于新申請(qǐng)到的鎖,這時(shí)就會(huì)觸發(fā)異常。

討論
死鎖是每一個(gè)多線程程序都會(huì)面臨的一個(gè)問(wèn)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(yàn)來(lái)講,盡可能保證每一個(gè) 線程只能同時(shí)保持一個(gè)鎖,這樣程序就不會(huì)被死鎖問(wèn)題所困擾。一旦有線程同時(shí)申請(qǐng)多個(gè)鎖,一切就不可預(yù)料了。

死鎖的檢測(cè)與恢復(fù)是一個(gè)幾乎沒(méi)有優(yōu)雅的解決方案的擴(kuò)展話題。一個(gè)比較常用的死鎖檢測(cè)與恢復(fù)的方案是引入看門狗計(jì)數(shù)器。當(dāng)線程正常 運(yùn)行的時(shí)候會(huì)每隔一段時(shí)間重置計(jì)數(shù)器,在沒(méi)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(wú)法重置計(jì)數(shù)器導(dǎo)致定時(shí)器 超時(shí),這時(shí)程序會(huì)通過(guò)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(wèn)題的方式,在進(jìn)程獲取鎖的時(shí)候會(huì)嚴(yán)格按照對(duì)象id升序排列獲取,經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)證明,這樣保證程序不會(huì)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(duì)象id遞增的順序加鎖不會(huì)產(chǎn)生循環(huán)依賴,而循環(huán)依賴是 死鎖的一個(gè)必要條件,從而避免程序進(jìn)入死鎖狀態(tài)。

下面以一個(gè)關(guān)于線程死鎖的經(jīng)典問(wèn)題:“哲學(xué)家就餐問(wèn)題”,作為本節(jié)最后一個(gè)例子。題目是這樣的:五位哲學(xué)家圍坐在一張桌子前,每個(gè)人 面前有一碗飯和一只筷子。在這里每個(gè)哲學(xué)家可以看做是一個(gè)獨(dú)立的線程,而每只筷子可以看做是一個(gè)鎖。每個(gè)哲學(xué)家可以處在靜坐、 思考、吃飯三種狀態(tài)中的一個(gè)。需要注意的是,每個(gè)哲學(xué)家吃飯是需要兩只筷子的,這樣問(wèn)題就來(lái)了:如果每個(gè)哲學(xué)家都拿起自己左邊的筷子, 那么他們五個(gè)都只能拿著一只筷子坐在那兒,直到餓死。此時(shí)他們就進(jìn)入了死鎖狀態(tài)。 下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的使用死鎖避免機(jī)制解決“哲學(xué)家就餐問(wèn)題”的實(shí)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(guò)acquire 函數(shù)直接申請(qǐng)鎖,那么整個(gè)死鎖避免機(jī)制就不起作用了。

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