【C/C++】死鎖的四大條件與預防策略詳解

文章目錄

  • 死鎖的四大條件與預防策略詳解
    • 一、死鎖的產生條件（四個必要條件）
    • 二、代碼示例
    • 三、死鎖的預防手段（以 C/C++ 為例）
      • 1. 破壞“循環等待” —— 統一加鎖順序（推薦）
      • 2. 使用 `std::lock` 一次性加多個鎖
      • 3. 使用 `try_lock` 實現非阻塞獲取資源
      • 4. 超時機制（C++17 起）
      • 5. 添加超時檢測或死鎖檢測邏輯（高級）
    • 四、死鎖的定位手段
      • 1. 代碼審查：查看是否存在資源互相等待邏輯。
      • 2. 日志排查：
      • 3. 使用工具定位
      • 4. 打印鎖地址對應變量
    • 五、小結

死鎖的四大條件與預防策略詳解

死鎖（Deadlock）是指多個線程或進程因相互等待資源而永久阻塞的現象。

一、死鎖的產生條件（四個必要條件）

  1. 互斥條件：資源不能被多個線程同時占用。
  2. 占有且等待：一個線程至少持有一個資源，同時等待其他線程所持有的資源。
  3. 不可剝奪：線程持有的資源在未使用完之前不能被強制剝奪。
  4. 循環等待：存在一個線程等待鏈，鏈中的每個線程都在等待下一個線程所持有的資源。

只要四個條件同時滿足，就可能發生死鎖。

二、代碼示例

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <chrono>// 定義兩個互斥量
std::mutex mutexA;
std::mutex mutexB;void deadlock_version() {std::thread t1([] {std::lock_guard<std::mutex> lockA(mutexA);std::cout << "[T1] Locked mutexA\n";std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));std::lock_guard<std::mutex> lockB(mutexB);  // 等待 mutexBstd::cout << "[T1] Locked mutexB\n";});std::thread t2([] {std::lock_guard<std::mutex> lockB(mutexB);std::cout << "[T2] Locked mutexB\n";std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));std::lock_guard<std::mutex> lockA(mutexA);  // 等待 mutexAstd::cout << "[T2] Locked mutexA\n";});t1.join();t2.join();
}void no_deadlock_version() {std::thread t1([] {std::unique_lock<std::mutex> lockA(mutexA, std::defer_lock);std::unique_lock<std::mutex> lockB(mutexB, std::defer_lock);std::lock(lockA, lockB);  // 同時加鎖，避免死鎖std::cout << "[T1] Locked mutexA and mutexB safely\n";});std::thread t2([] {std::unique_lock<std::mutex> lockA(mutexA, std::defer_lock);std::unique_lock<std::mutex> lockB(mutexB, std::defer_lock);std::lock(lockA, lockB);  // 同樣順序加鎖std::cout << "[T2] Locked mutexA and mutexB safely\n";});t1.join();t2.join();
}int main() {std::cout << "1. 死鎖版本開始:\n";deadlock_version();// 給死鎖版本 3 秒時間卡住（演示用）// std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));// std::cout << "\n2. 無死鎖版本開始:\n";// no_deadlock_version();deadlock_thread.join(); // 等待死鎖線程（實際上它可能永遠卡住）return 0;
}

🧪 輸出示例：

1. 死鎖版本開始:
[T1] Locked mutexA
[T2] Locked mutexB
（此時死鎖，程序卡住）2. 無死鎖版本開始:
[T1] Locked mutexA and mutexB safely
[T2] Locked mutexA and mutexB safely

🛠 如何調試死鎖（gdb 示例）

g++ -g deadlock_example.cpp -o deadlock_example -pthread
gdb ./deadlock_example
(gdb) run
（程序卡住時）<ctrl + c>
(gdb) thread apply all bt

(gdb) run
Starting program: /.../a.out 
[Thread debugging using libthread_db enabled]
Using host libthread_db library "/lib/x86_64-linux-gnu/libthread_db.so.1".
1. 死鎖版本開始:
[New Thread 0x7ffff77ff6c0 (LWP 414762)]
[T1] Locked mutexA
[New Thread 0x7ffff6ffe6c0 (LWP 414763)]
[T2] Locked mutexB
^C
Thread 1 "a.out" received signal SIGINT, Interrupt.
Download failed: Invalid argument.  Continuing without source file ./nptl/./nptl/futex-internal.c.
0x00007ffff7898d71 in __futex_abstimed_wait_common64 (private=128, cancel=true, abstime=0x0, op=265, expected=414762, futex_word=0x7ffff77ff990) at ./nptl/futex-internal.c:57
warning: 57     ./nptl/futex-internal.c: No such file or directory
(gdb) info threadsId   Target Id                                  Frame 
* 1    Thread 0x7ffff7e8c740 (LWP 414759) "a.out" 0x00007ffff7898d71 in __futex_abstimed_wait_common64 (private=128, cancel=true, abstime=0x0, op=265, expected=414762, futex_word=0x7ffff77ff990) at ./nptl/futex-internal.c:572    Thread 0x7ffff77ff6c0 (LWP 414762) "a.out" futex_wait (private=0, expected=2, futex_word=0x55555555b1a0 <mutex>) at ../sysdeps/nptl/futex-internal.h:1463    Thread 0x7ffff6ffe6c0 (LWP 414763) "a.out" futex_wait (private=0, expected=2, futex_word=0x55555555b160 <mutexA>) at ../sysdeps/nptl/futex-internal.h:146(gdb) thread apply all btThread 3 (Thread 0x7ffff6ffe6c0 (LWP 414763) "a.out"):
#0  futex_wait (private=0, expected=2, futex_word=0x55555555b160 <mutexA>) at ../sysdeps/nptl/futex-internal.h:146
#1  __GI___lll_lock_wait (futex=futex@entry=0x55555555b160 <mutexA>, private=0) at ./nptl/lowlevellock.c:49
#2  0x00007ffff78a0101 in lll_mutex_lock_optimized (mutex=0x55555555b160 <mutexA>) at ./nptl/pthread_mutex_lock.c:48
#3  ___pthread_mutex_lock (mutex=0x55555555b160 <mutexA>) at ./nptl/pthread_mutex_lock.c:93
#4  0x000055555555680b in __gthread_mutex_lock(pthread_mutex_t*) ()
#5  0x00005555555569be in std::mutex::lock() ()
#6  0x0000555555556a5c in std::lock_guard<std::mutex>::lock_guard(std::mutex&) ()
#7  0x00005555555554b9 in deadlock_version()::{lambda()#2}::operator()() const ()
#8  0x0000555555556705 in void std::__invoke_impl<void, deadlock_version()::{lambda()#2}>(std::__invoke_other, deadlock_version()::{lambda()#2}&&) ()
#9  0x00005555555565fb in std::__invoke_result<deadlock_version()::{lambda()#2}>::type std::__invoke<deadlock_version()::{lambda()#2}>(deadlock_version()::{lambda()#2}&&) ()
#10 0x00005555555564d6 in void std::thread::_Invoker<std::tuple<deadlock_version()::{lambda()#2}> >::_M_invoke<0ul>(std::_Index_tuple<0ul>) ()
#11 0x0000555555556436 in std::thread::_Invoker<std::tuple<deadlock_version()::{lambda()#2}> >::operator()() ()
#12 0x00005555555563be in std::thread::_State_impl<std::thread::_Invoker<std::tuple<deadlock_version()::{lambda()#2}> > >::_M_run() ()
#13 0x00007ffff7cecdb4 in ?? () from /lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6
#14 0x00007ffff789caa4 in start_thread (arg=<optimized out>) at ./nptl/pthread_create.c:447
#15 0x00007ffff7929c3c in clone3 () at ../sysdeps/unix/sysv/linux/x86_64/clone3.S:78Thread 2 (Thread 0x7ffff77ff6c0 (LWP 414762) "a.out"):
#0  futex_wait (private=0, expected=2, futex_word=0x55555555b1a0 <mutex>) at ../sysdeps/nptl/futex-internal.h:146
#1  __GI___lll_lock_wait (futex=futex@entry=0x55555555b1a0 <mutex>, private=0) at ./nptl/lowlevellock.c:49
#2  0x00007ffff78a0101 in lll_mutex_lock_optimized (mutex=0x55555555b1a0 <mutex>) at ./nptl/pthread_mutex_lock.c:48
#3  ___pthread_mutex_lock (mutex=0x55555555b1a0 <mutex>) at ./nptl/pthread_mutex_lock.c:93
#4  0x000055555555680b in __gthread_mutex_lock(pthread_mutex_t*) ()
#5  0x00005555555569be in std::mutex::lock() ()
#6  0x0000555555556a5c in std::lock_guard<std::mutex>::lock_guard(std::mutex&) ()
#7  0x000055555555539d in deadlock_version()::{lambda()#1}::operator()() const ()
--Type <RET> for more, q to quit, c to continue without paging-- 
#8  0x0000555555556742 in void std::__invoke_impl<void, deadlock_version()::{lambda()#1}>(std::__invoke_other, deadlock_version()::{lambda()#1}&&) ()
#9  0x000055555555664e in std::__invoke_result<deadlock_version()::{lambda()#1}>::type std::__invoke<deadlock_version()::{lambda()#1}>(deadlock_version()::{lambda()#1}&&) ()
#10 0x0000555555556502 in void std::thread::_Invoker<std::tuple<deadlock_version()::{lambda()#1}> >::_M_invoke<0ul>(std::_Index_tuple<0ul>) ()
#11 0x0000555555556452 in std::thread::_Invoker<std::tuple<deadlock_version()::{lambda()#1}> >::operator()() ()
#12 0x00005555555563e2 in std::thread::_State_impl<std::thread::_Invoker<std::tuple<deadlock_version()::{lambda()#1}> > >::_M_run() ()
#13 0x00007ffff7cecdb4 in ?? () from /lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6
#14 0x00007ffff789caa4 in start_thread (arg=<optimized out>) at ./nptl/pthread_create.c:447
#15 0x00007ffff7929c3c in clone3 () at ../sysdeps/unix/sysv/linux/x86_64/clone3.S:78Thread 1 (Thread 0x7ffff7e8c740 (LWP 414759) "a.out"):
#0  0x00007ffff7898d71 in __futex_abstimed_wait_common64 (private=128, cancel=true, abstime=0x0, op=265, expected=414762, futex_word=0x7ffff77ff990) at ./nptl/futex-internal.c:57
#1  __futex_abstimed_wait_common (cancel=true, private=128, abstime=0x0, clockid=0, expected=414762, futex_word=0x7ffff77ff990) at ./nptl/futex-internal.c:87
#2  __GI___futex_abstimed_wait_cancelable64 (futex_word=futex_word@entry=0x7ffff77ff990, expected=414762, clockid=clockid@entry=0, abstime=abstime@entry=0x0, private=private@entry=128) at ./nptl/futex-internal.c:139
#3  0x00007ffff789e7a3 in __pthread_clockjoin_ex (threadid=140737345746624, thread_return=0x0, clockid=0, abstime=0x0, block=<optimized out>) at ./nptl/pthread_join_common.c:102
#4  0x00007ffff7cece33 in std::thread::join() () from /lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6
#5  0x000055555555559c in deadlock_version() ()
#6  0x00005555555558ee in main ()

會看到兩個線程分別卡在獲取 mutexB 和 mutexA 的地方，形成典型的死鎖等待鏈。

🔍 解讀 GDB 棧：

🧵 Thread 2

#6 std::lock_guard<std::mutex>::lock_guard(std::mutex&) ()
#7 deadlock_version()::{lambda()#1}::operator()() const ()

線程 2 正在嘗試加鎖 mutex：

futex_word=0x55555555b1a0 <mutex>

說明線程 2 被阻塞在 mutex 上。

🧵 Thread 3

#6 std::lock_guard<std::mutex>::lock_guard(std::mutex&) ()
#7 deadlock_version()::{lambda()#2}::operator()() const ()

線程 3 正在嘗試加鎖 mutexA：

futex_word=0x55555555b160 <mutexA>

說明線程 3 被阻塞在 mutexA 上。

🧵 Thread 1（主線程）

#4 std::thread::join()
#5 deadlock_version()

主線程正在等待 thread 2 和 thread 3 退出，因此處于阻塞中。

通過 gdb thread apply all bt 看到：

  • 兩個線程分別阻塞在 mutex 和 mutexA 上。
  • 推測這兩個鎖是對方線程正在持有的。
  • 主線程卡在 join()，等待死鎖線程結束。
  • 完全滿足“循環等待”的死鎖條件。

三、死鎖的預防手段（以 C/C++ 為例）

1. 破壞“循環等待” —— 統一加鎖順序（推薦）

  • 所有線程按固定順序加鎖，比如先加 mutex 再加 mutexA
std::mutex m1, m2;void threadA() {std::lock_guard<std::mutex> lock1(m1);std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));std::lock_guard<std::mutex> lock2(m2); // 始終按照 m1->m2 加鎖順序// 臨界區
}void threadB() {std::lock_guard<std::mutex> lock1(m1); // 避免 m2->m1 加鎖順序std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));std::lock_guard<std::mutex> lock2(m2);
}

2. 使用 std::lock 一次性加多個鎖

void safe_function() {std::unique_lock<std::mutex> lock1(m1, std::defer_lock);std::unique_lock<std::mutex> lock2(m2, std::defer_lock);std::lock(lock1, lock2); // 避免死鎖
}

使用 std::lock(mutex1, mutex2) + std::lock_guard：

std::lock(mutex, mutexA);
std::lock_guard<std::mutex> lk1(mutex, std::adopt_lock);
std::lock_guard<std::mutex> lk2(mutexA, std::adopt_lock);

3. 使用 try_lock 實現非阻塞獲取資源

void try_lock_example() {if (m1.try_lock()) {if (m2.try_lock()) {// 成功獲取兩個鎖m2.unlock();}m1.unlock();}
}

4. 超時機制（C++17 起）

std::timed_mutex tmutex;void timed_lock_example() {if (tmutex.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(100))) {// 成功獲得鎖tmutex.unlock();} else {// 獲取失敗，避免死鎖}
}

5. 添加超時檢測或死鎖檢測邏輯（高級）

待補充～

四、死鎖的定位手段

1. 代碼審查：查看是否存在資源互相等待邏輯。

2. 日志排查：

  • 添加鎖操作日志（獲取、釋放時間、線程ID）。
  • 利用 RAII 包裝鎖并記錄日志。
struct LockLogger {std::mutex& m;std::string name;LockLogger(std::mutex& mutex, const std::string& n) : m(m), name(n) {std::cout << "Locking " << name << std::endl;m.lock();}~LockLogger() {std::cout << "Unlocking " << name << std::endl;m.unlock();}
};

3. 使用工具定位

  • gdb + thread apply all bt：查看線程調用棧，分析是否互相等待。
  • pstack <pid>：打印所有線程棧。
  • strace -p <pid>：查看系統調用是否卡在 futex（用戶態互斥）上。
  • valgrind 的 helgrind 模塊：檢測數據競爭和死鎖。
valgrind --tool=helgrind ./your_program

4. 打印鎖地址對應變量

std::cout << &mutex << std::endl;
std::cout << &mutexA << std::endl;

運行時查看地址是否和 GDB 中 0x55555555b1a0 和 0x55555555b160 一致，可進一步確認鎖對象。

五、小結

內容說明
死鎖四條件互斥、占有且等待、不可剝奪、循環等待
常見預防方式固定加鎖順序、std::lock、try_lock、timed_mutex
定位手段日志追蹤、gdb/pstack/valgrind、調試器分析調用棧

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Netty學習專欄（六）：深度解析Netty核心參數——從參數配置到生產級優化

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文章目錄 前言一、核心參數全景解析1.1 基礎網絡層參數1.2 內存管理參數1.3 水位線控制1.4 高級參數與系統級優化 二、生產級優化策略2.1 高并發場景優化2.2 低延遲場景優化 總結 前言 在分布式系統和高并發場景中&#xff0c;Netty作為高性能網絡通信框架的核心地位無可替代。…
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