Napisz program, który z pewnością wpadnie w impas [zamknięty]

Niedawno zadawano mi te pytania w wywiadzie.

Odpowiedziałem, że zakleszczenie występuje, gdy przeplatanie przebiega nieprawidłowo, ale prowadzący wywiad nalegał, aby można było napisać program, który zawsze będzie wpadał w impas, niezależnie od przeplatania.

Czy możemy napisać taki program? Czy możesz wskazać mi jakiś przykładowy program?

AKTUALIZACJA: To pytanie było tematem mojego bloga w styczniu 2013 roku . Dzięki za świetne pytanie!

Jak możemy napisać program, który zawsze będzie wpadał w zakleszczenie, niezależnie od tego, jak zaplanowano wątki?

Oto przykład w C #. Zwróć uwagę, że program wydaje się nie zawierać żadnych blokad ani udostępnionych danych. Ma tylko jedną zmienną lokalną i trzy instrukcje, a mimo to blokuje się ze 100% pewnością. Trudno byłoby wymyślić prostszy program, który z pewnością jest zakleszczony.

Ćwiczenie dla czytelnika nr 1: wyjaśnij, w jaki sposób dochodzi do impasu. (Odpowiedź jest w komentarzach).

Ćwiczenie dla czytelnika nr 2: zademonstruj ten sam impas w Javie. (Odpowiedź jest tutaj: https://stackoverflow.com/a/9286697/88656 )

class MyClass
{
  static MyClass() 
  {
    // Let's run the initialization on another thread!
    var thread = new System.Threading.Thread(Initialize);
    thread.Start();
    thread.Join();
  }

  static void Initialize() 
  { /* TODO: Add initialization code */ }

  static void Main() 
  { }
}

Zatrzask tutaj zapewnia, że ​​oba zamki są trzymane, gdy każdy wątek próbuje zablokować się nawzajem:

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class Locker extends Thread {

   private final CountDownLatch latch;
   private final Object         obj1;
   private final Object         obj2;

   Locker(Object obj1, Object obj2, CountDownLatch latch) {
      this.obj1 = obj1;
      this.obj2 = obj2;
      this.latch = latch;
   }

   @Override
   public void run() {
      synchronized (obj1) {

         latch.countDown();
         try {
            latch.await();
         } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException();
         }
         synchronized (obj2) {
            System.out.println("Thread finished");
         }
      }

   }

   public static void main(String[] args) {
      final Object obj1 = new Object();
      final Object obj2 = new Object();
      final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);

      new Locker(obj1, obj2, latch).start();
      new Locker(obj2, obj1, latch).start();

   }

}

Ciekawe jest uruchomienie jconsole, które poprawnie pokaże ci zakleszczenie w zakładce Wątki.

Zakleszczenie ma miejsce, gdy wątki (lub cokolwiek twoja platforma nazywa swoimi jednostkami wykonawczymi) pozyskują zasoby, gdzie każdy zasób może być utrzymywany tylko przez jeden wątek naraz i zatrzymuje te zasoby w taki sposób, że blokady nie mogą być wywłaszczone, oraz istnieje pewna „cykliczna” relacja między wątkami, tak że każdy wątek w zakleszczeniu oczekuje na pobranie zasobów przechowywanych przez inny wątek.

Tak więc prostym sposobem uniknięcia impasu jest nadanie pewnego całkowitego uporządkowania zasobów i narzucenie reguły, że zasoby są pozyskiwane tylko przez wątki w kolejności . I odwrotnie, zakleszczenie można celowo utworzyć, uruchamiając wątki, które pobierają zasoby, ale nie pozyskują ich po kolei. Na przykład:

Dwie nitki, dwa zamki. Pierwszy wątek uruchamia pętlę, która próbuje uzyskać zamki w określonej kolejności, drugi wątek uruchamia pętlę, która próbuje uzyskać zamki w odwrotnej kolejności. Każdy wątek zwalnia obie blokady po pomyślnym uzyskaniu blokad.

public class HighlyLikelyDeadlock {
    static class Locker implements Runnable {
        private Object first, second;

        Locker(Object first, Object second) {
            this.first = first;
            this.second = second;
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                synchronized (first) {
                    synchronized (second) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                    }
                }
            }
        }
    }

    public static void main(final String... args) {
        Object lock1 = new Object(), lock2 = new Object();
        new Thread(new Locker(lock1, lock2), "Thread 1").start();
        new Thread(new Locker(lock2, lock1), "Thread 2").start();
    }
}

W tym pytaniu pojawiło się kilka komentarzy, które wskazują na różnicę między prawdopodobieństwem a pewnością impasu. W pewnym sensie to rozróżnienie jest kwestią akademicką. Z praktycznego punktu widzenia z pewnością chciałbym zobaczyć działający system, który nie blokuje się z kodem, który napisałem powyżej :)

Jednak pytania podczas rozmowy kwalifikacyjnej mogą czasami mieć charakter akademicki, a to pytanie SO ma w tytule słowo „na pewno”, więc poniżej znajduje się program, który z pewnością utknął w martwym punkcie. LockerTworzone są dwa obiekty, każdy ma dwie blokady i CountDownLatchsłuży do synchronizacji między wątkami. Każdy Lockerblokuje pierwszy zamek, a następnie odlicza raz zapadkę. Kiedy obie nitki osiągną blokadę i odliczą zatrzask, przechodzą przez barierę zatrzasku i próbują uzyskać drugi zamek, ale w każdym przypadku drugi gwint już utrzymuje pożądany zamek. Ta sytuacja powoduje pewien impas.

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class CertainDeadlock {
    static class Locker implements Runnable {
        private CountDownLatch latch;
        private Lock first, second;

        Locker(CountDownLatch latch, Lock first, Lock second) {
            this.latch = latch;
            this.first = first;
            this.second = second;
        }

        @Override
        public void run() {
            String threadName = Thread.currentThread().getName();
            try {
                first.lock();
                latch.countDown();
                System.out.println(threadName + ": locked first lock");
                latch.await();
                System.out.println(threadName + ": attempting to lock second lock");
                second.lock();
                System.out.println(threadName + ": never reached");
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }

    public static void main(final String... args) {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
        Lock lock1 = new ReentrantLock(), lock2 = new ReentrantLock();
        new Thread(new Locker(latch, lock1, lock2), "Thread 1").start();
        new Thread(new Locker(latch, lock2, lock1), "Thread 2").start();
    }
}

Oto przykład Java, naśladując przykład Erica Lipperta:

public class Lock implements Runnable {

    static {
        System.out.println("Getting ready to greet the world");
        try {
            Thread t = new Thread(new Lock());
            t.start();
            t.join();
        } catch (InterruptedException ex) {
            System.out.println("won't see me");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
    }

    public void run() {           
        Lock lock = new Lock();      
    }

}

Oto przykład z dokumentacji:

public class Deadlock {
    static class Friend {
        private final String name;
        public Friend(String name) {
            this.name = name;
        }
        public String getName() {
            return this.name;
        }
        public synchronized void bow(Friend bower) {
            System.out.format("%s: %s"
                + "  has bowed to me!%n", 
                this.name, bower.getName());
            bower.bowBack(this);
        }
        public synchronized void bowBack(Friend bower) {
            System.out.format("%s: %s"
                + " has bowed back to me!%n",
                this.name, bower.getName());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        final Friend alphonse =
            new Friend("Alphonse");
        final Friend gaston =
            new Friend("Gaston");
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() { alphonse.bow(gaston); }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() { gaston.bow(alphonse); }
        }).start();
    }
}

Przepisałem wersję Java Yuriya Zubareva przykładu zakleszczenia opublikowanego przez Erica Lipperta: https://stackoverflow.com/a/9286697/2098232, aby bardziej przypominał wersję C #. Jeśli blok inicjalizacji Java działa podobnie do konstruktora statycznego C # i najpierw uzyskuje blokadę, nie potrzebujemy innego wątku, aby również wywołać metodę join w celu uzyskania zakleszczenia, wystarczy wywołać pewną metodę statyczną z klasy Lock, taką jak oryginalny C # przykład. Wynikający z tego impas wydaje się to potwierdzać.

public class Lock {

    static {
        System.out.println("Getting ready to greet the world");
        try {
            Thread t = new Thread(new Runnable(){

                @Override
                public void run() {
                    Lock.initialize();
                }

            });
            t.start();
            t.join();
        } catch (InterruptedException ex) {
            System.out.println("won't see me");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
    }

    public static void initialize(){
        System.out.println("Initializing");
    }

}

Nie jest to najprostsze zadanie na rozmowę kwalifikacyjną, jakie można dostać: w moim projekcie sparaliżowało pracę zespołu na cały dzień. Zatrzymanie programu jest bardzo łatwe, ale bardzo trudno jest doprowadzić go do stanu, w którym zrzut wątku zapisuje coś w rodzaju:

Found one Java-level deadlock:
=============================
"Thread-2":
  waiting to lock monitor 7f91c5802b58 (object 7fb291380, a java.lang.String),
  which is held by "Thread-1"
"Thread-1":
  waiting to lock monitor 7f91c6075308 (object 7fb2914a0, a java.lang.String),
  which is held by "Thread-2"

Java stack information for the threads listed above:
===================================================
"Thread-2":
    at uk.ac.ebi.Deadlock.run(Deadlock.java:54)
    - waiting to lock <7fb291380> (a java.lang.String)
    - locked <7fb2914a0> (a java.lang.String)
    - locked <7f32a0760> (a uk.ac.ebi.Deadlock)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:680)
"Thread-1":
    at uk.ac.ebi.Deadlock.run(Deadlock.java:54)
    - waiting to lock <7fb2914a0> (a java.lang.String)
    - locked <7fb291380> (a java.lang.String)
    - locked <7f32a0580> (a uk.ac.ebi.Deadlock)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:680)

Tak więc celem byłoby uzyskanie impasu, który JVM uzna za impas. Oczywiście nie ma takiego rozwiązania

synchronized (this) {
    wait();
}

będą działać w tym sensie, chociaż rzeczywiście zatrzymają się na zawsze. Poleganie na warunkach wyścigu również nie jest dobrym pomysłem, ponieważ podczas rozmowy kwalifikacyjnej zwykle chcesz pokazać coś, co działa, a nie coś, co powinno działać przez większość czasu.

Teraz sleep()rozwiązanie jest w porządku, w pewnym sensie trudno sobie wyobrazić sytuację, w której to nie działa, ale nie jest sprawiedliwe (jesteśmy w uczciwym sporcie, prawda?). Rozwiązanie @artbristol (moje jest takie samo, tylko różne obiekty jako monitory) jest fajne, ale długie i wykorzystuje nowe prymitywy współbieżności, aby uzyskać wątki we właściwym stanie, co nie jest zbyt zabawne:

public class Deadlock implements Runnable {
    private final Object a;
    private final Object b;
    private final static CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);

    public Deadlock(Object a, Object b) {
        this.a = a;
        this.b = b;
    }

    public synchronized static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(new Deadlock("a", "b")).start();
        new Thread(new Deadlock("b", "a")).start();
    }

    @Override
    public void run() {
        synchronized (a) {
            latch.countDown();
            try {
                latch.await();
            } catch (InterruptedException ignored) {
            }
            synchronized (b) {
            }
        }
    }
}

Pamiętam, że synchronizedrozwiązanie -only pasuje do 11..13 linii kodu (bez komentarzy i importu), ale jeszcze nie przypomniałem sobie właściwej sztuczki. Zaktualizuję, jeśli to zrobię.

Aktualizacja: oto brzydkie rozwiązanie na synchronized:

public class Deadlock implements Runnable {
    public synchronized static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        synchronized ("a") {
            new Thread(new Deadlock()).start();
            "a".wait();
        }
        synchronized ("") {
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        synchronized ("") {
            synchronized ("a") {
                "a".notifyAll();
            }
            synchronized (Deadlock.class) {
            }
        }
    }
}

Zauważ, że zamieniamy zatrzask na monitor obiektu (używając "a"jako obiektu).

Ta wersja C #, myślę, że java powinna być całkiem podobna.

static void Main(string[] args)
{
    var mainThread = Thread.CurrentThread;
    mainThread.Join();

    Console.WriteLine("Press Any key");
    Console.ReadKey();
}

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class SO8880286 {
    public static class BadRunnable implements Runnable {
        private CountDownLatch latch;

        public BadRunnable(CountDownLatch latch) {
            this.latch = latch;
        }

        public void run() {
            System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getId() + " starting");
            synchronized (BadRunnable.class) {
                System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getId() + " acquired the monitor on BadRunnable.class");
                latch.countDown();
                while (true) {
                    try {
                        latch.await();
                    } catch (InterruptedException ex) {
                        continue;
                    }
                    break;
                }
            }
            System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getId() + " released the monitor on BadRunnable.class");
            System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getId() + " ending");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread[] threads = new Thread[2];
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(threads.length);
        for (int i = 0; i < threads.length; ++i) {
            threads[i] = new Thread(new BadRunnable(latch));
            threads[i].start();
        }
    }
}

Program zawsze zakleszcza się, ponieważ każdy wątek czeka przy barierze na inne wątki, ale aby poczekać na barierę, wątek musi utrzymywać monitor BadRunnable.class.

Tutaj jest przykład w Javie

http://baddotrobot.com/blog/2009/12/24/deadlock/

Kiedy porywacz wpada w impas, gdy odmawia oddania ofiary, dopóki nie otrzyma gotówki, ale negocjator odmawia oddania gotówki, dopóki nie dostanie ofiary.

Proste wyszukiwanie dało mi następujący kod:

public class Deadlock {
    static class Friend {
        private final String name;
        public Friend(String name) {
            this.name = name;
        }
        public String getName() {
            return this.name;
        }
        public synchronized void bow(Friend bower) {
            System.out.format("%s: %s"
                + "  has bowed to me!%n", 
                this.name, bower.getName());
            bower.bowBack(this);
        }
        public synchronized void bowBack(Friend bower) {
            System.out.format("%s: %s"
                + " has bowed back to me!%n",
                this.name, bower.getName());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        final Friend alphonse =
            new Friend("Alphonse");
        final Friend gaston =
            new Friend("Gaston");
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() { alphonse.bow(gaston); }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() { gaston.bow(alphonse); }
        }).start();
    }
}

Źródło: Deadlock

Oto przykład, w którym jeden wątek przytrzymujący blokadę uruchamia inny wątek, który chce tej samej blokady, a następnie starter czeka, aż rozpoczęty zakończy się ... na zawsze:

class OuterTask implements Runnable {
    private final Object lock;

    public OuterTask(Object lock) {
        this.lock = lock;
    }

    public void run() {
        System.out.println("Outer launched");
        System.out.println("Obtaining lock");
        synchronized (lock) {
            Thread inner = new Thread(new InnerTask(lock), "inner");
            inner.start();
            try {
                inner.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

class InnerTask implements Runnable {
    private final Object lock;

    public InnerTask(Object lock) {
        this.lock = lock;
    }

    public void run() {
        System.out.println("Inner launched");
        System.out.println("Obtaining lock");
        synchronized (lock) {
            System.out.println("Obtained");
        }
    }
}

class Sample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final Object outerLock = new Object();
        OuterTask outerTask = new OuterTask(outerLock);
        Thread outer = new Thread(outerTask, "outer");
        outer.start();
        outer.join();
    }
}

Oto przykład:

działają dwa wątki, każdy czeka, aż drugi zwolni blokadę

public class ThreadClass rozszerza Thread {

String obj1,obj2;
ThreadClass(String obj1,String obj2){
    this.obj1=obj1;
    this.obj2=obj2;
    start();
}

public void run(){
    synchronized (obj1) {
        System.out.println("lock on "+obj1+" acquired");

        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("waiting for "+obj2);
        synchronized (obj2) {
            System.out.println("lock on"+ obj2+" acquired");
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }


}

}

Uruchomienie tego doprowadziłoby do impasu:

public class SureDeadlock {

public static void main(String[] args) {
    String obj1= new String("obj1");
    String obj2= new String("obj2");

    new ThreadClass(obj1,obj2);
    new ThreadClass(obj2,obj1);


}

}