死锁的现象以及原理
描述
前言
本文将从0到1写一个死锁检测组件。源码：deadlock_success.c
组件如何放入自己的项目里？把代码末两个Debug部分删除，在你的项目里添加下面两句代码即可使用死锁检测组件。
init_hook();
start_check();
1. 死锁的现象以及原理
1.1 复现最简单的死锁
线程A占有锁1，线程B占有锁2；此时线程A想要获取锁2，但是锁2已经被线程B占有， 此时线程A会休眠等待线程B释放锁2后，再去获得锁2。可以看到下面的场景，线程B想要获取锁1，结果线程B也休眠去了。这就导致死锁，锁1和锁2永远得不到释放，因为线程A和线程B都在等待另一个锁的释放。这种僵持的状态，就称为死锁。
正如下面代码所示，这样就引发了死锁
void *thread_rountine_1(void *args) {
pthread_t selfid = pthread_self();
printf("thread_routine 1 : %ld n", selfid);
pthread_mutex_lock(&mutex_1);
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&mutex_2);
pthread_mutex_unlock(&mutex_2);
pthread_mutex_unlock(&mutex_1);
return (void *) (0);
}
void *thread_rountine_2(void *args) {
pthread_t selfid = pthread_self(); //
printf("thread_routine 2 : %ld n", selfid);
pthread_mutex_lock(&mutex_2);
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&mutex_1);
pthread_mutex_unlock(&mutex_1);
pthread_mutex_unlock(&mutex_2);
return (void *) (0);
}
1.2 从死锁中找出检测死锁的规律
我们来看看下面这张图，线程A想要获取线程B的资源，线程B想要获取线程C的资源，线程C想要获取线程D的资源，线程D想要获取线程A的资源，这其实就构成了一个有向图的环路
来看看前面介绍的最简单的死锁，发现其本直也是构成了一个有向图的环路
来看看非死锁的场景，只要线程D释放了mutex4，那么线程C就能获得锁，随后线程C释放mutex3和4，那么线程B…可以发现，这个非死锁的场景，它是一个有向图,但这个图没有构成环路。
过上面三个场景的分析，我们其实就可以把死锁的问题，转换为 有向图的环路检测。在线程进行加锁前，我们去判断一下所有的线程有没有构成环路，如果有，则说明现在很有可能会进入死锁。
2. 检测死锁的前置条件
2.1 有向图的边怎么来？
我们现在已经知道了死锁的问题，就转换为 有向图的环路检测。那么这个有向图怎么构建？在我们对mutex1加锁的时候，我们怎么知道是线程A占有mutex1，在对mutex2加锁的时候，怎么知道它已经被线程B占有了？我们无法知道锁是属于哪个线程的。既然连锁都不知道属于哪个线程，哪有如何构建出有向图呢？换言之，我们需要解决：知道当前锁被哪个线程占用。我们不知道的原因很简单，就是mutex和pthread_id没有一个对应关系。
//锁与线程的信息struct pair_t { unsigned long int th_id; enum Type type; unsigned long int lock_id; int degress;};
我们可以做出一个数据结构，在加锁之前，判断这个锁有没有被别的线程使用，如果没有，在加锁之后我们将这个锁与本线程绑定，做一个pair，然后把这个pair存起来。比如说线程线程A和mutex1绑定，线程B和mutex2绑定了。当线程A再次去尝试对mutex2加锁之前，先判断mutex2是否名花有主？如果有，那有向图的边不就来了吗？不知道读者有没有注意到，这一段话都建立在加锁之前判断 锁 是否名花有主。
有一个非常简单粗暴的方法，在加锁之前调用一个函数，加锁之后调用一个函数。读者可以想一下，本文是要实现一个组件，所谓组件，给别人也能用，难道在一个项目里面，想要检测一下死锁，去把lock上下全部加两个函数？这显然不符合我们组件的设想，我们希望不改变别人的代码，就能实现检测。
//锁与线程的信息
struct pair_t {
unsigned long int th_id;
enum Type type;
unsigned long int lock_id;
int degress;
};
要想实现上面的需求，我们可以使用hook。
2.2 hook—>dlsym
hook是什么意思？钩子，简单来说，我们使用hook，可以把系统或第三方库提供的函数，替换成我们写的同名函数，而第三方库的函数则被我们改名，在我们写的同名函数里，可以去调用第三方库原来的函数。
正如下面代码所示，系统提供的pthread_mutex_lock被改名为pthread_mutex_lock_f。那么我们就可以使用pthread_mutex_lock来当作函数名称，如此一来，在别的项目里面，我们通过hook就可以进行死锁检测，而不需要去改代码了。
hook提供了两个接口；1. dlsym()是针对系统的，系统原始的api。2. dlopen()是针对第三方的库。
/* ******* ******************Hook****************** ******* */
typedef int (*pthread_mutex_lock_t)(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_lock_t pthread_mutex_lock_f;
typedef int (*pthread_mutex_unlock_t)(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_unlock_t pthread_mutex_unlock_f;
static int init_hook() {
pthread_mutex_lock_f = dlsym(RTLD_NEXT, "pthread_mutex_lock");
pthread_mutex_unlock_f = dlsym(RTLD_NEXT, "pthread_mutex_unlock");
}
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex) {
pthread_t self_id = pthread_self(); //
lock_before(self_id, (unsigned long int) mutex);
pthread_mutex_lock_f(mutex);
lock_after(self_id, (unsigned long int) mutex);
}
在进程的虚拟内存空间里面，有一块代码段 ，上面代码中，pthread_mutex_lock_f是一个函数指针，实际上，就是把pthread_mutex_lock_f指向代码段里系统函数的入口地址 ，以此来实现偷天换日。
还需要注意一点，这个#define _GNU_SOURCE要写在前面，因为这个就相当于一个开关，在下面的.h文件里面，有#ifdef _GNU_SOURCE的地方。在gcc编译的时候后面加上 -ldl。
#define _GNU_SOURCE
#include < dlfcn.h >
3. 有向图
3.1 有向图的数据结构
下面来看一下结构体的含义
ertex_list的每一项，都是一个顶点，后面链表里面存的，都是边的另一个点。
vlock_list的每一项，存的都是锁与线程的信息
/* ******* ******************Digraph****************** ******* */
enum Type {
PROCESS, RESOURCE
};
//锁与线程的信息
struct pair_t {
unsigned long int th_id;
enum Type type;
unsigned long int lock_id;
int degress;
};
//顶点
struct vertex_t {
struct pair_t pair;
struct vertex_t *next;
};
struct task_graph {
struct vertex_t vertex_list[MAX];
int vertex_num;
struct pair_t lock_list[MAX];
int lock_num;
pthread_mutex_t mutex;
int path[MAX + 1];
int visited[MAX];
int k;
int deadlock;
};
struct task_graph *tg = NULL;
//创建一个vertex
struct vertex_t *create_vertex(struct pair_t pair) {
struct vertex_t *tex = (struct vertex_t *) malloc(sizeof(struct vertex_t));
tex- >pair = pair;
tex- >next = NULL;
return tex;
}
//查找vertex在list里面的下标
int search_vertex(struct pair_t pair) {
int i = 0;
for (i = 0; i < tg- >vertex_num; i++) {
if (tg- >vertex_list[i].pair.type == pair.type && tg- >vertex_list[i].pair.th_id == pair.th_id) {
return i;
}
}
return -1;
}
//把vertex添加到vertex_list里面
void add_vertex(struct pair_t pair) {
if (search_vertex(pair) == -1) {
tg- >vertex_list[tg- >vertex_num].pair = pair;
tg- >vertex_list[tg- >vertex_num].next = NULL;
tg- >vertex_num++;
}
}
//添加边,把v添加到u的链表里
int add_edge(struct pair_t u, struct pair_t v) {
add_vertex(u);
add_vertex(v);
struct vertex_t *cnt = &(tg- >vertex_list[search_vertex(u)]);
while (cnt- >next != NULL) {
cnt = cnt- >next;
}
cnt- >next = create_vertex(v);
}
//检查边是否存在
int verify_edge(struct pair_t u, struct pair_t v) {
if (tg- >vertex_num == 0) return 0;
int idx = search_vertex(u);
if (idx == -1) {
return 0;
}
struct vertex_t *cnt = &(tg- >vertex_list[idx]);
while (cnt != NULL) {
if (cnt- >pair.th_id == v.th_id) {
return 1;
}
cnt = cnt- >next;
}
return 0;
}
//删除边
int remove_edge(struct pair_t u, struct pair_t v) {
int idx_u = search_vertex(u);
int idx_v = search_vertex(v);
if (idx_u != -1 && idx_v != -1) {
struct vertex_t *cnt = &tg- >vertex_list[idx_u];
struct vertex_t *remove;
while (cnt- >next != NULL) {
if (cnt- >next- >pair.th_id == v.th_id) {
remove = cnt- >next;
cnt- >next = cnt- >next- >next;
free(remove);
break;
}
cnt = cnt- >next;
}
}
}
3.2 dfs判断环的方法
现在边也处理好了，锁与线程的关系也处理好了，那么我们如何去判断有没有环呢？我们使用DFS来判断。
/* ******* ******************check cycle****************** ******* */
//打印
void print_deadlock(void) {
int i = 0;
printf("deadlock : ");
for (i = 0; i < tg- >k - 1; i++) {
printf("%ld -- > ", tg- >vertex_list[tg- >path[i]].pair.th_id);
}
printf("%ldn", tg- >vertex_list[tg- >path[i]].pair.th_id);
}
void print_locklist(void) {
int i = 0;
printf("-----------print_locklist----------n");
for (i = 0; i < tg- >lock_num; i++) {
printf("threadid : %ld, lockid: %ldn", tg- >lock_list[i].th_id, tg- >lock_list[i].lock_id);
}
printf("-----------------------------------n");
}
int DFS(int idx) {
struct vertex_t *ver = &tg- >vertex_list[idx];
if (tg- >visited[idx] == 1) {
tg- >path[tg- >k++] = idx;
print_deadlock();
tg- >deadlock = 1;
return 0;
}
tg- >visited[idx] = 1;
tg- >path[tg- >k++] = idx;
while (ver- >next != NULL) {
DFS(search_vertex(ver- >next- >pair));
tg- >k--;
ver = ver- >next;
}
return 1;
}
//判断某个顶点是否成环
int search_for_cycle(int idx) {
struct vertex_t *ver = &tg- >vertex_list[idx];
tg- >visited[idx] = 1;
tg- >k = 0;
tg- >path[tg- >k++] = idx;
while (ver- >next != NULL) {
int i = 0;
for (i = 0; i < tg- >vertex_num; i++) {
if (i == idx) continue;
tg- >visited[i] = 0;
}
for (i = 1; i <= MAX; i++) {
tg- >path[i] = -1;
}
tg- >k = 1;
DFS(search_vertex(ver- >next- >pair));
ver = ver- >next;
}
}
//检查是否死锁
void check_dead_lock(void) {
printf("-----------check deadlock----------n");
int i;
tg- >deadlock = 0;
for (i = 0; i < tg- >vertex_num; i++) {
if (tg- >deadlock == 1) {
break;
}
//从每个点都出发一遍
search_for_cycle(i);
}
if (tg- >deadlock == 0) {
printf("no deadlockn");
}
printf("----------------------------------n");
}
3.3 简单测试一下
可以看到我们的结果与预期一致，说明我们的有向图与判断环完成了，那么下面我们就应该去写上锁前后的函数了。
/* ******* ******************Debug 2****************** ******* */
int main() {
tg = (struct task_graph *) malloc(sizeof(struct task_graph));
tg- >vertex_num = 0;
struct pair_t v1;
v1.th_id = 1;
v1.type = PROCESS;
add_vertex(v1);
struct pair_t v2;
v2.th_id = 2;
v2.type = PROCESS;
add_vertex(v2);
struct pair_t v3;
v3.th_id = 3;
v3.type = PROCESS;
add_vertex(v3);
struct pair_t v4;
v4.th_id = 4;
v4.type = PROCESS;
add_vertex(v4);
struct pair_t v5;
v5.th_id = 5;
v5.type = PROCESS;
add_vertex(v5);
add_edge(v1, v2);
add_edge(v2, v3);
add_edge(v3, v4);
add_edge(v4, v5);
add_edge(v3, v1);
add_edge(v5, v1);
check_dead_lock();
// search_for_cycle(search_vertex(v1));
}
root@wxf:/tmp/tmp.d4vz2dOyJP# gcc -o deadlock_success deadlock_success.c -lpthread -ldl
root@wxf:/tmp/tmp.d4vz2dOyJP# ./deadlock_success
-----------check deadlock----------
deadlock : 1 -- > 2 -- > 3 -- > 4 -- > 5 -- > 1
deadlock : 1 -- > 2 -- > 3 -- > 1
----------------------------------
root@wxf:/tmp/tmp.d4vz2dOyJP#
4. 三个原语操作
现在有向图和hook都有了，那么我们如何把死锁检测出来？换言之，我们怎么使用pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock构建有向图？
在调用系统提供的lock以前，我们需要检测这个锁有没有被别的线程占用，如果被占用，那么我们就需要往图里面加一条边。
如果没有被占用，那么我们就往里面走。也就是说加锁完，调用系统提供的lock之后， 我们需要告诉后面的线程，这个锁被我占用了，即添加一项pair，供别人lock之前去检测。如果被占用了，然后锁被释放，本线程获取到了这个以前被占用的锁，那么我们lock之后，需要把原来添加的一条边删除掉，因为这个锁已经属于自己了，并且将锁对应的pair中的th_id改成自己。
在调用系统提供的unlock之后，解锁了一个锁之后，我们去看看还有没有渴望得到这个锁的，如果没有，则将锁对应的pair置空，如果有，则不管pair。
注意：下面三个函数，我对三个函数都加锁了，这里是我的偷懒操作，锁的粒度较大。如果想优化，应该放到serch函数里面，我这里懒得去改了。
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex) {
pthread_t self_id = pthread_self();
lock_before(self_id, (unsigned long int) mutex);
pthread_mutex_lock_f(mutex);
lock_after(self_id, (unsigned long int) mutex);
}
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex) {
pthread_t self_id = pthread_self();
pthread_mutex_unlock_f(mutex);
unlock_after(self_id, (unsigned long int) mutex);
}
4.1 lock_before
我们现在把加锁理解为谈恋爱确认关系。在确认关系之前，我们要去看一下这个女生有没有男朋友，如果她没有男朋友，妙哉！那么我们就直接确认关系(lock)吧！如果她有男朋友，那现在还不能和她谈恋爱，我们先与她暧昧暧昧(add_edge)，等着她分手。
void lock_before(unsigned long int thread_id, unsigned long int lock) {
pthread_mutex_lock_f(&tg- >mutex);
int idx = search_lock(lock);
// printf("[lock_before] self_id:%lu lock:%lu lock idx:%d n", thread_id, lock, idx);
//如果该锁是第一次则什么都不做
if (idx != -1) {
//u是想要加锁的线程
struct pair_t u;
u.th_id = thread_id;
u.type = PROCESS;
//把vertex添加到vertex_list里面
add_vertex(u);
//v是锁原来的线程
struct pair_t v;
v.th_id = tg- >lock_list[idx].th_id;
tg- >lock_list[idx].degress++;
v.type = PROCESS;
add_vertex(v);
if (!verify_edge(u, v)) {
add_edge(u, v); // 把v加入到vertex_list的u的链表中
}
}
pthread_mutex_unlock_f(&tg- >mutex);
}
4.2 lock_after
现在我们加锁完了，也就是谈恋爱确认关系了之后，如果我们是她的初恋，那么我们要向全世界宣布(tg->lock_list[empty_lock_idx])：她，是我的女人！如果不是初恋，她被别人宣布过了，那我们就别搞这么浪漫了，把她给我们的备注改成男朋友就好了(tg->lock_list[idx].th_id = thread_id;)，并且我们也不需要暧昧聊天了(remove_edge)，因为她已经是我们女朋友了。
void lock_after(unsigned long int thread_id, unsigned long int lock) {
pthread_mutex_lock_f(&tg- >mutex);
int idx = search_lock(lock);
// printf("[lock_after ] self_id:%lu lock:%lu ", thread_id, lock);
if (idx == -1) { // 第一次加锁,找一个空位lock_list，设置th_id和lock
int empty_lock_idx = search_empty_lock(lock);
tg- >lock_list[empty_lock_idx].th_id = thread_id;
tg- >lock_list[empty_lock_idx].lock_id = lock;
// printf("分配lock_list位置 idx:%d n", empty_lock_idx);
if (empty_lock_idx >= tg- >lock_num) {
inc(&tg- >lock_num, 1);
}
}
else {
//u是想要加锁的线程
struct pair_t u;
u.th_id = thread_id;
u.type = PROCESS;
//v是锁原来的线程
struct pair_t v;
v.th_id = tg- >lock_list[idx].th_id;
tg- >lock_list[idx].degress--;
v.type = PROCESS;
//删除边
if (verify_edge(u, v)) {
remove_edge(u, v);
}
//设为本线程
tg- >lock_list[idx].th_id = thread_id;
// printf("获得 lock idx:%d n", idx);
}
pthread_mutex_unlock_f(&tg- >mutex);
}
4.3 unlock_after
unlock就相当于分手，如果她没有备胎，那么她就恢复单身(pair置空)，如果她有备胎，那就随她吧~
void unlock_after(unsigned long int thread_id, unsigned long int lock) {
pthread_mutex_lock_f(&tg- >mutex);
int idx = search_lock(lock);
//如果入度为0，说明没有别的线程指向该锁，则把这个idx位置置空
if (tg- >lock_list[idx].degress == 0) {
tg- >lock_list[idx].th_id = 0;
tg- >lock_list[idx].lock_id = 0;
}
pthread_mutex_unlock_f(&tg- >mutex);
}
5. 死锁检测线程的测试
下面我们来测试这个场景。完整代码在目录前言中。
/* ******* ******************Debug 1****************** ******* */
pthread_mutex_t mutex_1 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex_2 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex_3 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex_4 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *thread_rountine_1(void *args) {
pthread_t selfid = pthread_self(); //
printf("thread_routine 1 : %ld n", selfid);
pthread_mutex_lock(&mutex_1);
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&mutex_2);
pthread_mutex_unlock(&mutex_2);
pthread_mutex_unlock(&mutex_1);
return (void *) (0);
}
void *thread_rountine_2(void *args) {
pthread_t selfid = pthread_self(); //
printf("thread_routine 2 : %ld n", selfid);
pthread_mutex_lock(&mutex_2);
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&mutex_3);
pthread_mutex_unlock(&mutex_3);
pthread_mutex_unlock(&mutex_2);
return (void *) (0);
}
void *thread_rountine_3(void *args) {
pthread_t selfid = pthread_self(); //
printf("thread_routine 3 : %ld n", selfid);
pthread_mutex_lock(&mutex_3);
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&mutex_4);
pthread_mutex_unlock(&mutex_4);
pthread_mutex_unlock(&mutex_3);
return (void *) (0);
}
void *thread_rountine_4(void *args) {
pthread_t selfid = pthread_self(); //
printf("thread_routine 4 : %ld n", selfid);
pthread_mutex_lock(&mutex_4);
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&mutex_1);
pthread_mutex_unlock(&mutex_1);
pthread_mutex_unlock(&mutex_4);
return (void *) (0);
}
int main() {
init_hook();
start_check();
printf("start_checkn");
pthread_t tid1, tid2, tid3, tid4;
pthread_create(&tid1, NULL, thread_rountine_1, NULL);
pthread_create(&tid2, NULL, thread_rountine_2, NULL);
pthread_create(&tid3, NULL, thread_rountine_3, NULL);
pthread_create(&tid4, NULL, thread_rountine_4, NULL);
pthread_join(tid1, NULL);
pthread_join(tid2, NULL);
pthread_join(tid3, NULL);
pthread_join(tid4, NULL);
return 0;
}
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