Python 模拟死锁

时间:2022-09-29 宇宙之一粟人气:0

前言

常见的例子是在银行账户上：假如要在两个银行账户之间执行交易，你必须确保两个账户都被锁定，不受其他交易的影响，以达到正确的资金转移量。在这里，这个类比并不完全成立--哲学家对应的是锁定账户的交易（分叉）--但同样的技术困难也会出现。

其他的例子包括电商秒杀系统，多个用户抢一个商品，不允许一个数据库被多个客户同时修改。

死锁也是由一个并发程序需要同时具备的条件来定义的，这样才会发生死锁。这些条件是由计算机科学家Edward G. Coffman, Jr .首先提出的，因此被称为 Coffman 条件。这些条件如下：

至少有一个资源必须处于不可共享的状态。这意味着该资源被一个单独的进程（或线程）持有，不能被其他人访问；在任何时间内，该资源只能被单个的进程（或线程）访问和持有。这个条件也被称为相互排斥。
有一个进程（或线程）同时访问一个资源并等待其他进程（或线程）持有的另一个资源。换句话说，这个进程（或线程）需要访问两个资源来执行其指令，其中一个它已经持有，另一个它正在等待其他进程（或线程）。这种情况被称为保持和等待。
只有在有特定指令让进程（或线程）释放资源的情况下，才能由持有这些资源的进程（或线程）来释放。这就是说，除非进程（或线程）自愿主动地释放资源，否则该资源仍处于不可共享的状态。这就是无抢占条件。
最后一个条件叫做循环等待。顾名思义，这个条件规定了一组进程（或线程）的存在，因此这组进程中的第一个进程（或线程）正在等待第二个进程（或线程）释放资源，而第二个进程（或线程）又需要等待第三个进程（或线程）；最后，这组进程中的最后一个进程（或线程）正在等待第一个进程。

造成线程死锁的常见例子包括：

一个在自己身上等待的线程（例如，试图两次获得同一个互斥锁）
互相等待的线程（例如，A 等待 B，B 等待 A）
未能释放资源的线程（例如，互斥锁、信号量、屏障、条件、事件等）
线程以不同的顺序获取互斥锁（例如，未能执行锁排序）

模拟死锁1：线程等待本身

导致死锁的一个常见原因是线程在自己身上等待。

我们并不打算让这种死锁发生，例如，我们不会故意写代码，导致线程自己等待。相反，由于一系列的函数调用和变量的传递，这种情况会意外地发生。

一个线程可能会因为很多原因而在自己身上等待，比如：

等待获得它已经获得的互斥锁
等待自己被通知一个条件
等待一个事件被自己设置
等待一个信号被自己释放

开发一个 task() 函数，直接尝试两次获取同一个 mutex 锁。也就是说，该任务将获取锁，然后再次尝试获取锁。

# task to be executed in a new thread
def task(lock):
    print('Thread acquiring lock...')
    with lock:
        print('Thread acquiring lock again...')
        with lock:
            # will never get here
            pass

这将导致死锁，因为线程已经持有该锁，并将永远等待自己释放该锁，以便它能再次获得该锁, task() 试图两次获取同一个锁并触发死锁。

在主线程中，可以创建锁:

# create the mutex lock
lock = Lock()

然后我们将创建并配置一个新的线程，在一个新的线程中执行我们的 task() 函数，然后启动这个线程并等待它终止，而它永远不会终止。

# create and configure the new thread
thread = Thread(target=task, args=(lock,))
# start the new thread
thread.start()
# wait for threads to exit...
thread.join()

完整代码如下：

from threading import Thread
from threading import Lock
# task to be executed in a new thread
def task(lock):
    print('Thread acquiring lock...')
    with lock:
        print('Thread acquiring lock again...')
        with lock:
            # will never get here
            pass
# create the mutex lock
lock = Lock()
# create and configure the new thread
thread = Thread(target=task, args=(lock,))
# start the new thread
thread.start()
# wait for threads to exit...
thread.join()

运行结果如下：

首先创建锁，然后新的线程被混淆并启动，主线程阻塞，直到新线程终止，但它从未这样做。

新线程运行并首先获得了锁。然后它试图再次获得相同的互斥锁并阻塞。

它将永远阻塞，等待锁被释放。该锁不能被释放，因为该线程已经持有该锁。因此，该线程已经陷入死锁。

该程序必须被强制终止，例如，通过 Control-C 杀死终端。

模拟死锁2：线程互相等待

一个常见的例子就是两个或多个线程互相等待。例如：线程 A 等待线程 B，线程 B 等待线程 A。

如果有三个线程，可能会出现线程循环等待，例如：

线程 A：等待线程 B
线程 B：等待线程 C
线程 C：等待线程 A

如果你设置了线程来等待其他线程的结果，这种死锁是很常见的，比如在一个流水线或工作流中，子任务的一些依赖关系是不符合顺序的。

from threading import current_thread
from threading import Thread
# task to be executed in a new thread
def task(other):
    # message
    print(f'[{current_thread().name}] waiting on [{other.name}]...\n')
    other.join()
# get the current thread
main_thread = current_thread()
# create the second thread
new_thread = Thread(target=task, args=(main_thread,))
# start the new thread
new_thread.start()
# run the first thread
task(new_thread)

首先得到主线程的实例 main_thread，然后创建一个新的线程 new_thread，并调用传递给主线程的 task() 函数。新线程返回一条信息并等待主线程停止，主线程用新线程的实例调用 task()函数，并等待新线程的终止。每个线程都在等待另一个线程终止，然后自己才能终止，这导致了一个死锁。

运行结果：

[Thread-1] waiting on [MainThread]...
[MainThread] waiting on [Thread-1]...

模拟死锁3：以错误的顺序获取锁

导致死锁的一个常见原因是，两个线程同时以不同的顺序获得锁。例如，我们可能有一个受锁保护的关键部分，在这个关键部分中，我们可能有代码或函数调用受第二个锁保护。

可能会遇到这样的情况：一个线程获得了锁 1 ，然后试图获得锁 2，然后有第二个线程调用获得锁 2 的功能，然后试图获得锁 1。如果这种情况同时发生，线程 1 持有锁 1，线程 2 持有锁 2，那么就会有一个死锁。

线程1: 持有锁 1, 等待锁 2
线程2 : 持有锁 2, 等待锁 1

from time import sleep
from threading import Thread
from threading import Lock
# task to be executed in a new thread
def task(number, lock1, lock2):
    # acquire the first lock
    print(f'Thread {number} acquiring lock 1...')
    with lock1:
        # wait a moment
        sleep(1)
        # acquire the next lock
        print(f'Thread {number} acquiring lock 2...')
        with lock2:
            # never gets here..
            pass
# create the mutex locks
lock1 = Lock()
lock2 = Lock()
# create and configure the new threads
thread1 = Thread(target=task, args=(1, lock1, lock2))
thread2 = Thread(target=task, args=(2, lock2, lock1))
# start the new threads
thread1.start()
thread2.start()
# wait for threads to exit...
thread1.join()
thread2.join()

运行这个例子首先创建了两个锁。然后两个线程都被创建，主线程等待线程的终止。

第一个线程接收 lock1 和 lock2 作为参数。它获得了锁 1 并 sleep。

第二个线程接收 lock2 和 lock1 作为参数。它获得了锁 2 并 sleep。

第一个线程醒来并试图获取锁 2，但它必须等待，因为它已经被第二个线程获取。第二个线程醒来并试图获取锁 1，但它必须等待，因为它已经被第一个线程获取。

结果是一个死锁：

Thread 1 acquiring lock 1...
Thread 2 acquiring lock 1...
Thread 1 acquiring lock 2...
Thread 2 acquiring lock 2...

解决办法是确保锁在整个程序中总是以相同的顺序获得。这就是所谓的锁排序。

模拟死锁4：锁未释放

导致死锁的另一个常见原因是线程未能释放一个资源。这通常是由线程在关键部分引发错误或异常造成的，这种方式会阻止线程释放资源，包括：

未能释放一个锁
未能释放一个信号器
未能到达一个 barrier
未能在一个条件上通知线程
未能设置一个事件

# example of a deadlock caused by a thread failing to release a lock
from time import sleep
from threading import Thread
from threading import Lock
# task to be executed in a new thread
def task(lock):
    # acquire the lock
    print('Thread acquiring lock...')
    lock.acquire()
    # fail
    raise Exception('Something bad happened')
    # release the lock (never gets here)
    print('Thread releasing lock...')
    lock.release()
# create the mutex lock
lock = Lock()
# create and configure the new thread
thread = Thread(target=task, args=(lock,))
# start the new thread
thread.start()
# wait a while
sleep(1)
# acquire the lock
print('Main acquiring lock...')
lock.acquire()
# do something...
# release lock (never gets here)
lock.release()

运行该例子时，首先创建锁，然后创建并启动新的线程。然后主线程阻塞。新线程运行。它首先获得了锁，然后引发了一个异常而失败。该线程解开了锁，但却没有解开锁的代码。新的线程终止了。最后，主线程被唤醒，然后试图获取锁。由于锁没有被释放，主线程永远阻塞，导致了死锁。

Thread acquiring lock...
Exception in thread Thread-1:
Traceback (most recent call last):
...
Exception: Something bad happened
Main acquiring lock...

总结

本文首先通过实际案例中可能出现死锁的情况，介绍了死锁的概念及条件，并通过 Python 代码模拟死锁的四种情况，更多关于Python 模拟死锁的资料请关注其它相关文章！

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