银行转账问题（死锁）

news/2024/7/5 2:54:05

本文主要讲述死锁的一个经典案例—银行转账问题，并对该问题进行定位、修复。

1. 问题说明

当账户A对账户B进行转账时，

  • 首先需要获取到两把锁：账户A和账户B的锁。
  • 获取两把锁成功，且余额大于0，则扣除转出人的余额，并增加收款人的余额，而且这些操作都是在一个原子操作中
  • 获取锁的顺序相反导致死锁，即线程1获取到账户A的锁，然后请求账户B的锁，线程2已经获取到账户B的锁，然后请求A的锁，结果两者互相等待对方的锁，造成死锁。

2. 代码演示

public class TransferMoney implements Runnable {

    Integer flag = 1;

    static Account a = new Account(1000);
    static Account b = new Account(1000);

    //主函数
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TransferMoney t1 = new TransferMoney();
        TransferMoney t2 = new TransferMoney();
        t1.flag = 1;
        t1.flag = 0;

        Thread thread1 = new Thread(t1);
        Thread thread2 = new Thread(t2);

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread1.join();
        System.out.println("a的余额为："+a.balance);
        System.out.println("a的余额为："+b.balance);
    }
    
    @Override
    public void run() {
        if (flag == 1) {
            transferMoney(a, b, 500);
        }
        if (flag == 0) {
            transferMoney(b, a, 500);
        }
    }
    
    // 转账
    private void transferMoney(Account from, Account to, int amount) {
        synchronized (from) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取到第一把锁");
            //加入线程睡眠500ms
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            synchronized (to) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取到第二把锁");
                if (from.balance - amount < 0) {
                    System.out.println("余额不足，转账失败。");
                    return;
                }

                from.balance -= amount;
                to.balance += amount;
                System.out.println("成功转账" + i + "元");
            }
        }
    }


    static class Account {
        //余额
        int balance;

        public Account(int balance) {
            this.balance = balance;
        }
    }
}

打印结果：

启动程序，发现打印结果输出几句之后就不再输出，而且程序也未停止，这就发生了死锁。

  • 当线程 thread1 执行transferMoney()方法的时候，他拿到from锁，也就是里面的类成员变量a；
  • 经过 500ms，这个期间线程thread2进来执行transferMoney()方法，拿到from锁，也就是类成员变量b
  • 接下来500ms之后线程thread1继续执行，但是他要拿到to锁，也就是他的成员变量b，但是已经被线程thread1拿过去作为他的from锁了
  • 线程thread2接下来拿他的to锁，也就是成员变量a，但是他已经被线程thread1拿着了，因为成员变量a是线程1的from锁；

所以就进入了死锁的情况。

下面模拟多人转账，多个线程陷入死锁：

public class MultiTransferMoney {

    private static final int NUM_ACCOUNTS = 5000;//账号数
    private static final int NUM_MONEY = 1000;//余额
    private static final int NUM_ITERATIONS = 10000000;//转账次数
    private static final int NUM_THREADS = 20;//转账人数

    public static void main(String[] args) {
        Random random = new Random();
        TransferMoney.Account[] accounts = new TransferMoney.Account[NUM_ACCOUNTS];

        //初始化
        for (int i = 0; i < accounts.length; i++) {
            accounts[i] = new TransferMoney.Account(NUM_MONEY);
        }

        //转账类
        class TransferThread extends Thread{
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < NUM_ITERATIONS; i++) {
                    //随机下标
                    int fromAcct = random.nextInt(NUM_ACCOUNTS);
                    int toAcct = random.nextInt(NUM_ACCOUNTS);
                    int amount = random.nextInt(NUM_ACCOUNTS);

                    transferMoney(accounts[fromAcct], accounts[toAcct],amount);
                }
                System.out.println("程序结束！！！！");
            }
            private void transferMoney(Account from, Account to, int amount) {
                synchronized (from) {
                    synchronized (to) {
                        if (from.balance - amount < 0) {
                            System.out.println("余额不足，转账失败。");
                            return;
                        }

                        from.balance -= amount;
                        to.balance += amount;
                        System.out.println("成功转账" + i + "元");
                    }
                }
            }
        }

        //线程数
        for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
            new TransferThread().start();
        }

    }
}

打印结果：

在多人同时转账的情况下，虽然很人数很多，发生死锁的概率变小，但是只要发生死锁的风险存在，随着时间的推移，就一定会导致程序陷入死锁（墨菲定律）。

3. 如何定位死锁的位置（以两人转账的代码为例）

（1）jstack 命令

通过使用java自带的jstack命令，来查找我们项目中的死锁问题

## 需要首先获取程序的进程 pid
jps
## 然后在 终端界面执行如下命令
jstack 8359  #javahome下的jastack命令 进程的pid

执行结果图：

可以清晰地看到 Thread-1 拿到了锁 <0x000000076adae688> ,正在等待 <0x000000076adae678>，而 Thread-0 拿到了锁 <0x000000076adae678>，正在等待 <0x000000076adae688>，于是两者互相等待，造成死锁。

（2）ThreadMXBean代码

/**
 *      通过 ThreadMXBean 检测死锁
 */
import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.lang.management.ThreadInfo;
import java.lang.management.ThreadMXBean;

public class ThreadMXBeanDetection implements Runnable{
    int flag = 1;//标记位
    static Object lock1 = new Object();
    static Object lock2 = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ThreadMXBeanDetection r1 = new ThreadMXBeanDetection();
        ThreadMXBeanDetection r2 = new ThreadMXBeanDetection();
        r1.flag=1;
        r2.flag=0;
        Thread thread1 = new Thread(r1);
        Thread thread2 = new Thread(r2);

        thread1.start();
        thread2.start();
        Thread.sleep(1000);

        //得到实例
        ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean();
        long[] deadlockedThreads = threadMXBean.findDeadlockedThreads();
        //发现死锁
        if (deadlockedThreads != null && deadlockedThreads.length>0){
            //迭代
            for (long item : deadlockedThreads) {
                //获取线程信息
                ThreadInfo threadInfo = threadMXBean.getThreadInfo(item);
                //获取死锁线程的名字
                System.out.println("发现死锁："+threadInfo.getThreadName());
            }
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("flag= " + flag);
        if (flag == 1) {
            synchronized (lock1){
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (lock2){
                    System.out.println(flag);
                }
            }
        }
        if (flag == 0) {
            synchronized (lock2){
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (lock1){
                    System.out.println(flag);
                }
            }

        }
    }
}

打印结果：

如上图所示，ThreadMXBean 可以检测死锁，如果我们检测到了之后，就可以编写对应的逻辑，比如重启线程、通知告警系统、发消息提醒运维人员等。

4. 死锁修复（以两人转账的代码为例）

本公众号的《死锁细究》这篇文章提到多种死锁修复的方案。

本文使用死锁避免策略：把获取两把锁的规则改一下，原来的规则是先获取转出人的锁，再获取收款人的锁，这就会造成两个转出人都在等对方释放锁的情况。

现在我们把规则改成：所有的交易都先获取hash值更小的锁，获取到了hash小的锁才能获取hash大的锁，这就避免了环形的死锁，假如说这两个锁的大小一样，这时候就需要一把额外的锁来进行交易流程的控制，相当于一场“加时赛”。

在实际业务开发中可以使用主键，因为主键是唯一的，可以用主键来决定获取锁的顺序。

代码展示：

public class TransferMoney implements Runnable {

    private int flag = 1;
    private static Account a = new Account(500);
    private static Account b = new Account(500);
    private static Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TransferMoney r1 = new TransferMoney();
        TransferMoney r2 = new TransferMoney();
        r1.flag = 1;
        r2.flag = 0;
        //定义两个线程，flag = 1和0分别模拟a和b
        Thread t1 = new Thread(r1);
        Thread t2 = new Thread(r2);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("a的余额" + a.balance);
        System.out.println("b的余额" + b.balance);
    }

    @Override
    public void run() {
        if (flag == 1) {
            //a转账给b
            transferMoney(a, b, 200);
        }
        if (flag == 0) {
            //b转账给a
            transferMoney(b, a, 200);
        }
    }

    /**
     * 转账方法
     *
     * @param from   转出人
     * @param to     收款人
     * @param amount 转账金额
     */
    public static void transferMoney(Account from, Account to, int amount) {

        /**
         * 辅助类
         */
        class Helper {
            public void transfer() {
                if (from.balance - amount < 0) {
                    System.out.println("余额不足，转账失败。");
                    return;
                }
                from.balance -= amount;
                to.balance = to.balance + amount;
                System.out.println("成功转账" + amount + "元");
            }
        }

        //使用类的hash值来帮助排序
        int fromHash = System.identityHashCode(from);
        int toHash = System.identityHashCode(to);
        
        // 通过System.identityHashCode(XXX)去获取对象的hash值，并进行比较他们的hash值来进行比较来决定拿锁的顺序
        if (fromHash < toHash) {
            synchronized (from) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到第一把锁");
                synchronized (to) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到第二把锁");
                    new Helper().transfer();
                }
            }
        } else if (fromHash > toHash) {
            synchronized (to) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到第一把锁");
                synchronized (from) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到第二把锁");
                    new Helper().transfer();
                }
            }
        } else {
            //发生hash碰撞时，可以增加第三把锁来进行控制，类似“加时赛”
            synchronized (lock) {
                synchronized (to) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到第一把锁");
                    synchronized (from) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到第二把锁");
                        new Helper().transfer();
                    }
                }
            }
        }
    }

    /**
     * 收款账户
     */
    static class Account {

        public Account(int balance) {
            this.balance = balance;
        }
        int balance;
    }
}

打印结果：

程序不再死锁！！！

文章来源：银行转账问题（死锁）

个人微信：CaiBaoDeCai

微信公众号名称：Java知者

微信公众号 ID： JavaZhiZhe

谢谢关注！


http://lihuaxi.xjx100.cn/news/1202217.html

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