本文分享自华为云社区《掌握死锁检测：策略和最佳实践》，作者： Lion Long。
一、背景：死锁产生原因
死锁，是指多个线程或者进程在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局，当进程或者线程处于这种僵持状态，若无外力作用，它们将无法再向前推进。
如下图所示，线程 A 想获取线程 B 的锁，线程 B 想获取线程 C 的锁，线程 C 想获取线程 D 的锁，线程 D 想获取线程 A 的锁，从而构建了一个资源获取环。
如果有两个及以上的CPU占用率达到100%时，极可能是程序进入死锁状态。
死锁的存在是因为有资源获取环的存在，所以只要能检测出资源获取环，就等同于检测出死锁的存在。
1.1、构建一个死锁
#include
#include
#include
#include
pthread_mutex_t mutex1 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex2 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex3 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex4 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *thread_funcA(void *arg)
{
pthread_mutex_lock(&mutex1);
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&mutex2);
printf("funcA --> n");
pthread_mutex_unlock(&mutex2);
pthread_mutex_unlock(&mutex1);
}
void *thread_funcB(void *arg)
{
pthread_mutex_lock(&mutex2);
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&mutex3);
printf("funcB --> n");
pthread_mutex_unlock(&mutex3);
pthread_mutex_unlock(&mutex2);
}
void *thread_funcC(void *arg)
{
pthread_mutex_lock(&mutex3);
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&mutex4);
printf("funcC --> n");
pthread_mutex_unlock(&mutex4);
pthread_mutex_unlock(&mutex3);
}
void *thread_funcD(void *arg)
{
pthread_mutex_lock(&mutex4);
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&mutex1);
printf("funcD --> n");
pthread_mutex_unlock(&mutex1);
pthread_mutex_unlock(&mutex4);
}
int main()
{
pthread_t tid[4] = { 0 };
pthread_create(&tid[0], NULL, thread_funcA, NULL);
pthread_create(&tid[1], NULL, thread_funcB, NULL);
pthread_create(&tid[2], NULL, thread_funcC, NULL);
pthread_create(&tid[3], NULL, thread_funcD, NULL);
pthread_join(tid[0], NULL);
pthread_join(tid[1], NULL);
pthread_join(tid[2], NULL);
pthread_join(tid[3], NULL);
return 0;
}
二、使用hook检测死锁
hook使用场景：
（1）实现自己的协议栈，通过hook posix api。
2.1、dlsym()函数
获取共享对象或可执行文件中符号的地址。
函数原型：
#include
void *dlsym(void *handle, const char *symbol);
#define _GNU_SOURCE
#include
void *dlvsym(void *handle, char *symbol, char *version);
// Link with -ldl.
描述：
函数dlsym()接受dlopen()返回的动态加载共享对象的“句柄”以及以空结尾的符号名，并返回该符号加载到内存中的地址。如果在指定对象或加载对象时dlopen()自动加载的任何共享对象中找不到该符号，dlsym()将返回NULL。（dlsym()执行的搜索是通过这些共享对象的依赖关系树进行的广度优先搜索。）
由于符号的值实际上可能是NULL（因此，dlsym()的NULL返回值不必指示错误），因此测试错误的正确方法是调用dlerror()以清除任何旧的错误条件，然后调用dlsym。
handle中可以指定两个特殊的伪句柄：
函数dlvsym（）的作用与dlsym（）相同，但使用版本字符串作为附加参数。
返回值：
成功时，这些函数返回与符号关联的地址。
失败时，返回NULL；可以使用dlerror()诊断错误的原因。
2.2、pthread_self()函数
获取调用线程的ID。
函数原型：
#include
pthread_t pthread_self(void);
// Compile and link with -pthread.
说明：
函数的作用是返回调用线程的ID。这与创建此线程的pthread_create()调用中*thread中返回的值相同。
返回值：
此函数始终成功，返回调用线程的ID。
2.3、实现步骤
（1）构建函数指针
（2）定义与目标函数一样的类型
typedef int(*pthread_mutex_lock_t)(pthread_mutex_t *mutex);
typedef int(*pthread_mutex_unlock_t)(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_lock_t pthread_mutex_lock_f;
pthread_mutex_unlock_t pthread_mutex_unlock_f;
（3）具体函数实现，函数名与目标函数名一致
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)
{
pthread_t selfid = pthread_self();
printf("pthread_mutex_lock: %ld, %pn", selfid, mutex);
// ...
return 0;
}
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)
{
pthread_t selfid = pthread_self();
printf("pthread_mutex_unlock: %ld, %pn", selfid, mutex);
// ...
return 0;
}
（4）调用dlsym()函数，即钩子。
int init_hook()
{
pthread_mutex_lock_f = dlsym(RTLD_NEXT, "pthread_mutex_lock");
pthread_mutex_unlock_f = dlsym(RTLD_NEXT, "pthread_mutex_unlock");
// ...
return 0;
}
2.4、示例代码
#define _GNU_SOURCE
#include
#include
#include
#include
#include
typedef int(*pthread_mutex_lock_t)(pthread_mutex_t *mutex);
typedef int(*pthread_mutex_unlock_t)(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_lock_t pthread_mutex_lock_f;
pthread_mutex_unlock_t pthread_mutex_unlock_f;
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)
{
pthread_t selfid = pthread_self();
pthread_mutex_lock_f(mutex);
printf("pthread_mutex_lock: %ld, %pn", selfid, mutex);
return 0;
}
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)
{
pthread_t selfid = pthread_self();
pthread_mutex_unlock_f(mutex);
printf("pthread_mutex_unlock: %ld, %pn", selfid, mutex);
return 0;
}
int init_hook()
{
pthread_mutex_lock_f = dlsym(RTLD_NEXT, "pthread_mutex_lock");
pthread_mutex_unlock_f = dlsym(RTLD_NEXT, "pthread_mutex_unlock");
return 0;
}
#if 1 // debug
pthread_mutex_t mutex1 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex2 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex3 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex4 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *thread_funcA(void *arg)
{
pthread_mutex_lock(&mutex1);
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&mutex2);
printf("funcA --> n");
pthread_mutex_unlock(&mutex2);
pthread_mutex_unlock(&mutex1);
}
void *thread_funcB(void *arg)
{
pthread_mutex_lock(&mutex2);
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&mutex3);
printf("funcB --> n");
pthread_mutex_unlock(&mutex3);
pthread_mutex_unlock(&mutex2);
}
void *thread_funcC(void *arg)
{
pthread_mutex_lock(&mutex3);
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&mutex4);
printf("funcC --> n");
pthread_mutex_unlock(&mutex4);
pthread_mutex_unlock(&mutex3);
}
void *thread_funcD(void *arg)
{
pthread_mutex_lock(&mutex4);
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&mutex1);
printf("funcD --> n");
pthread_mutex_unlock(&mutex1);
pthread_mutex_unlock(&mutex4);
}
int main()
{
init_hook();
pthread_t tid[4] = { 0 };
pthread_create(&tid[0], NULL, thread_funcA, NULL);
pthread_create(&tid[1], NULL, thread_funcB, NULL);
pthread_create(&tid[2], NULL, thread_funcC, NULL);
pthread_create(&tid[3], NULL, thread_funcD, NULL);
pthread_join(tid[0], NULL);
pthread_join(tid[1], NULL);
pthread_join(tid[2], NULL);
pthread_join(tid[3], NULL);
return 0;
}
#endif
缺点：这种方式在少量锁情况下还可以分析，在大量锁使用的情况，分析过程极为困难。
三、使用图算法检测死锁
死锁检测可以利用图算法，检测有向图是否有环。
3.1、图的构建
（1）矩阵
（2）邻接表
数据结构原理示意图：
“图”连接：
3.2、图的使用
先新增节点再新增边。
（1）每创建一个线程，新增一个节点；注意，不是线程创建的时候就要加节点（有些线程不会用到锁），而是线程调用锁（以互斥锁为例，pthread_mutex_lock() ）的时候才添加节点。
（2）线程加锁（以互斥锁为例，pthread_mutex_lock() ）的时候，并且检测到锁已经占用，则新增一条边。
（3）移除边，调用锁（以互斥锁为例，pthread_mutex_lock() ）前，如果此时锁没有被占用，并且该边存在，则移除边。
（4）移除节点是在解锁之后。
三个原语操作：
（1）加锁之前的操作，lock_before()；
（2）加锁之后的操作，lock_after()；
（3）解锁之后的操作，unlock_after()；
3.3、示例代码
代码比较长，为了避免篇幅较长，不利于阅读，这里没有贴上。如果需要，可以联系博主，或者关注微信公众号 《Lion 莱恩呀》 获取。
总结
死锁的产生是因为多线程之间存在交叉申请锁的情况，因争夺资源而造成的一种僵局。
hook使用：
（1）定义与目标函数一样的类型；
（2）具体函数实现，函数名与目标函数名一致；
（3）调用dlsym()函数，初始化hook。
死锁检测可以使用图算法，通过检测有向图是否有环判断是否有死锁。
点击关注，第一时间了解华为云新鲜技术~
