概述
组件如何放到项目里？删除Debug部分，在项目中添加下面两句代码即可使用死锁检测组件。
init_hook(); start_check();
死锁的现象以及原理
复现最简单的死锁
线程A占有锁1，线程B占有锁2；此时线程A想要获取锁2，但是锁2已经被线程B占有， 此时线程A会休眠等待线程B释放锁2后，再去获得锁2。可以看到下面的场景，线程B想要获取锁1，结果线程B也休眠去了。这就导致死锁，锁1和锁2永远得不到释放，因为线程A和线程B都在等待另一个锁的释放。这种僵持的状态，就称为死锁。
从死锁中找出检测死锁的规律
我们来看看下面这张图，线程A想要获取线程B的资源，线程B想要获取线程C的资源，线程C想要获取线程D的资源，线程D想要获取线程A的资源，这其实就构成了一个有向图的环路
来看看前面介绍的最简单的死锁，发现其本直也是构成了一个有向图的环路
来看看非死锁的场景，只要线程D释放了mutex4，那么线程C就能获得锁，随后线程C释放mutex3和4，那么线程B…可以发现，这个非死锁的场景，它是一个有向图,但这个图没有构成环路。
通过上面三个场景的分析，我们其实就可以把死锁的问题，转换为有向图的环路检测。在线程进行加锁前，我们去判断一下所有的线程有没有构成环路，如果有，则说明现在很有可能会进入死锁。
检测死锁的前置条件
有向图的边怎么来？
我们现在已经知道了死锁的问题，就转换为 有向图的环路检测。那么这个有向图怎么构建？在我们对mutex1加锁的时候，我们怎么知道是线程A占有mutex1，在对mutex2加锁的时候，怎么知道它已经被线程B占有了？我们无法知道锁是属于哪个线程的。既然连锁都不知道属于哪个线程，哪有如何构建出有向图呢？换言之，我们需要解决：知道当前锁被哪个线程占用。我们不知道的原因很简单，就是mutex和pthread_id没有一个对应关系。
//锁与线程的信息 struct pair_t { unsigned long int th_id; enum Type type; unsigned long int lock_id; int degress; };
我们可以做出一个数据结构，在加锁之前，判断这个锁有没有被别的线程使用，如果没有，在加锁之后我们将这个锁与本线程绑定，做一个pair，然后把这个pair存起来。比如说线程线程A和mutex1绑定，线程B和mutex2绑定了。**当线程A再次去尝试对mutex2加锁之前，先判断mutex2是否名花有主？如果有，那有向图的边不就来了吗？**不知道读者有没有注意到，这一段话都建立在加锁之前判断 锁 是否名花有主。
有一个非常简单粗暴的方法，在加锁之前调用一个函数，加锁之后调用一个函数。读者可以想一下，本文是要实现一个组件，所谓组件，给别人也能用，难道在一个项目里面，想要检测一下死锁，去把lock上下全部加两个函数？这显然不符合我们组件的设想，我们希望不改变别人的代码，就能实现检测。
lock_before(self_id, (unsigned long int) mutex); pthread_mutex_lock(&mutex); lock_after(self_id, (unsigned long int) mutex);
要想实现上面的需求，我们可以使用hook。
hook
hook是什么意思？钩子，简单来说，我们使用hook，可以把系统或第三方库提供的函数，替换成我们写的同名函数，而第三方库的函数则被我们改名，在我们写的同名函数里，可以去调用第三方库原来的函数。
正如下面代码所示，系统提供的pthread_mutex_lock被改名为pthread_mutex_lock_f。那么我们就可以使用pthread_mutex_lock来当作函数名称，如此一来，在别的项目里面，我们通过hook就可以进行死锁检测，而不需要去改代码了。
hook提供了两个接口；1. dlsym()是针对系统的，系统原始的api。2. dlopen()是针对第三方的库。
/* ******* ******************Hook****************** ******* */ typedef int (*pthread_mutex_lock_t)(pthread_mutex_t *mutex); pthread_mutex_lock_t pthread_mutex_lock_f; typedef int (*pthread_mutex_unlock_t)(pthread_mutex_t *mutex); pthread_mutex_unlock_t pthread_mutex_unlock_f; static int init_hook() { pthread_mutex_lock_f = dlsym(RTLD_NEXT, "pthread_mutex_lock"); pthread_mutex_unlock_f = dlsym(RTLD_NEXT, "pthread_mutex_unlock"); } int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex) { pthread_t self_id = pthread_self(); // lock_before(self_id, (unsigned long int) mutex); pthread_mutex_lock_f(mutex); lock_after(self_id, (unsigned long int) mutex); }
在进程的虚拟内存空间里面，有一块代码段 ，上面代码中，pthread_mutex_lock_f是一个函数指针，实际上，就是把pthread_mutex_lock_f指向代码段里系统函数的入口地址 ，以此来实现偷天换日。
还需要注意一点，这个#define _GNU_SOURCE要写在前面，因为这个就相当于一个开关，在下面的.h文件里面，有#ifdef _GNU_SOURCE的地方。在gcc编译的时候后面加上 -ldl。
#define _GNU_SOURCE #include <dlfcn.h>
有向图
有向图的数据结构
下面来看一下结构体的含义
vertex_list的每一项，都是一个顶点，后面链表里面存的，都是边的另一个点。
lock_list的每一项，存的都是锁与线程的信息
/* ******* ******************Digraph****************** ******* */ enum Type { PROCESS, RESOURCE }; //锁与线程的信息 struct pair_t { unsigned long int th_id; enum Type type; unsigned long int lock_id; int degress; }; //顶点 struct vertex_t { struct pair_t pair; struct vertex_t *next; }; struct task_graph { struct vertex_t vertex_list[MAX]; int vertex_num; struct pair_t lock_list[MAX]; int lock_num; pthread_mutex_t mutex; int path[MAX + 1]; int visited[MAX]; int k; int deadlock; }; struct task_graph *tg = NULL; //创建一个vertex struct vertex_t *create_vertex(struct pair_t pair) { struct vertex_t *tex = (struct vertex_t *) malloc(sizeof(struct vertex_t)); tex->pair = pair; tex->next = NULL; return tex; } //查找vertex在list里面的下标 int search_vertex(struct pair_t pair) { int i = 0; for (i = 0; i < tg->vertex_num; i++) { if (tg->vertex_list[i].pair.type == pair.type && tg->vertex_list[i].pair.th_id == pair.th_id) { return i; } } return -1; } //把vertex添加到vertex_list里面 void add_vertex(struct pair_t pair) { if (search_vertex(pair) == -1) { tg->vertex_list[tg->vertex_num].pair = pair; tg->vertex_list[tg->vertex_num].next = NULL; tg->vertex_num++; } } //添加边,把v添加到u的链表里 int add_edge(struct pair_t u, struct pair_t v) { add_vertex(u); add_vertex(v); struct vertex_t *cnt = &(tg->vertex_list[search_vertex(u)]); while (cnt->next != NULL) { cnt = cnt->next; } cnt->next = create_vertex(v); } //检查边是否存在 int verify_edge(struct pair_t u, struct pair_t v) { if (tg->vertex_num == 0) return 0; int idx = search_vertex(u); if (idx == -1) { return 0; } struct vertex_t *cnt = &(tg->vertex_list[idx]); while (cnt != NULL) { if (cnt->pair.th_id == v.th_id) { return 1; } cnt = cnt->next; } return 0; } //删除边 int remove_edge(struct pair_t u, struct pair_t v) { int idx_u = search_vertex(u); int idx_v = search_vertex(v); if (idx_u != -1 && idx_v != -1) { struct vertex_t *cnt = &tg->vertex_list[idx_u]; struct vertex_t *remove; while (cnt->next != NULL) { if (cnt->next->pair.th_id == v.th_id) { remove = cnt->next; cnt->next = cnt->next->next; free(remove); break; } cnt = cnt->next; } } }
dfs判断环的方法
现在边也处理好了，锁与线程的关系也处理好了，那么我们如何去判断有没有环呢？我们使用DFS来判断。
/* ******* ******************check cycle****************** ******* */ //打印 void print_deadlock(void) { int i = 0; printf("deadlock : "); for (i = 0; i < tg->k - 1; i++) { printf("%ld --> ", tg->vertex_list[tg->path[i]].pair.th_id); } printf("%ld\n", tg->vertex_list[tg->path[i]].pair.th_id); } void print_locklist(void) { int i = 0; printf("-----------print_locklist----------\n"); for (i = 0; i < tg->lock_num; i++) { printf("threadid : %ld, lockid: %ld\n", tg->lock_list[i].th_id, tg->lock_list[i].lock_id); } printf("-----------------------------------\n"); } int DFS(int idx) { struct vertex_t *ver = &tg->vertex_list[idx]; if (tg->visited[idx] == 1) { tg->path[tg->k++] = idx; print_deadlock(); tg->deadlock = 1; return 0; } tg->visited[idx] = 1; tg->path[tg->k++] = idx; while (ver->next != NULL) { DFS(search_vertex(ver->next->pair)); tg->k--; ver = ver->next; } return 1; } //判断某个顶点是否成环 int search_for_cycle(int idx) { struct vertex_t *ver = &tg->vertex_list[idx]; tg->visited[idx] = 1; tg->k = 0; tg->path[tg->k++] = idx; while (ver->next != NULL) { int i = 0; for (i = 0; i < tg->vertex_num; i++) { if (i == idx) continue; tg->visited[i] = 0; } for (i = 1; i <= MAX; i++) { tg->path[i] = -1; } tg->k = 1; DFS(search_vertex(ver->next->pair)); ver = ver->next; } } //检查是否死锁 void check_dead_lock(void) { printf("-----------check deadlock----------\n"); int i; tg->deadlock = 0; for (i = 0; i < tg->vertex_num; i++) { if (tg->deadlock == 1) { break; } //从每个点都出发一遍 search_for_cycle(i); } if (tg->deadlock == 0) { printf("no deadlock\n"); } printf("----------------------------------\n"); }
三个原语操作
现在有向图和hook都有了，那么我们如何把死锁检测出来？换言之，我们怎么使用pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock构建有向图？
在调用系统提供的lock以前，我们需要检测这个锁有没有被别的线程占用，如果被占用，那么我们就需要往图里面加一条边。
如果没有被占用，那么我们就往里面走。也就是说加锁完，调用系统提供的lock之后， 我们需要告诉后面的线程，这个锁被我占用了，即添加一项pair，供别人lock之前去检测。 如果被占用了，然后锁被释放，本线程获取到了这个以前被占用的锁，那么我们lock之后，需要把原来添加的一条边删除掉，因为这个锁已经属于自己了，并且将锁对应的pair中的th_id改成自己。
在调用系统提供的unlock之后，解锁了一个锁之后，我们去看看还有没有渴望得到这个锁的，如果没有，则将锁对应的pair置空，如果有，则不管pair。
注意：下面三个函数，我对三个函数都加锁了，这里是我的偷懒操作，锁的粒度较大。如果想优化，应该放到serch函数里面，我这里懒得去改了。
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex) { pthread_t self_id = pthread_self(); lock_before(self_id, (unsigned long int) mutex); pthread_mutex_lock_f(mutex); lock_after(self_id, (unsigned long int) mutex); } int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex) { pthread_t self_id = pthread_self(); pthread_mutex_unlock_f(mutex); unlock_after(self_id, (unsigned long int) mutex); }
lock_before
我们现在把加锁理解为谈恋爱确认关系。在确认关系之前，我们要去看一下这个女生有没有男朋友，如果她没有男朋友，妙哉！那么我们就直接确认关系(lock)吧！如果她有男朋友，那现在还不能和她谈恋爱，我们先与她暧昧暧昧(add_edge)，等着她分手。
void lock_before(unsigned long int thread_id, unsigned long int lock) { pthread_mutex_lock_f(&tg->mutex); int idx = search_lock(lock); // printf("[lock_before] self_id:%lu lock:%lu lock idx:%d \n", thread_id, lock, idx); //如果该锁是第一次则什么都不做 if (idx != -1) { //u是想要加锁的线程 struct pair_t u; u.th_id = thread_id; u.type = PROCESS; //把vertex添加到vertex_list里面 add_vertex(u); //v是锁原来的线程 struct pair_t v; v.th_id = tg->lock_list[idx].th_id; tg->lock_list[idx].degress++; v.type = PROCESS; add_vertex(v); if (!verify_edge(u, v)) { add_edge(u, v); // 把v加入到vertex_list的u的链表中 } } pthread_mutex_unlock_f(&tg->mutex); }
lock_after
现在我们加锁完了，也就是谈恋爱确认关系了之后，如果我们是她的初恋，那么我们要向全世界宣布(tg->lock_list[empty_lock_idx])：她，是我的女人！如果不是初恋，她被别人宣布过了，那我们就别搞这么浪漫了，把她给我们的备注改成男朋友就好了(tg->lock_list[idx].th_id = thread_id;)，并且我们也不需要暧昧聊天了(remove_edge)，因为她已经是我们女朋友了。
void lock_after(unsigned long int thread_id, unsigned long int lock) { pthread_mutex_lock_f(&tg->mutex); int idx = search_lock(lock); // printf("[lock_after ] self_id:%lu lock:%lu ", thread_id, lock); if (idx == -1) { // 第一次加锁,找一个空位lock_list，设置th_id和lock int empty_lock_idx = search_empty_lock(lock); tg->lock_list[empty_lock_idx].th_id = thread_id; tg->lock_list[empty_lock_idx].lock_id = lock; // printf("分配lock_list位置 idx:%d \n", empty_lock_idx); if (empty_lock_idx >= tg->lock_num) { inc(&tg->lock_num, 1); } } else { //u是想要加锁的线程 struct pair_t u; u.th_id = thread_id; u.type = PROCESS; //v是锁原来的线程 struct pair_t v; v.th_id = tg->lock_list[idx].th_id; tg->lock_list[idx].degress--; v.type = PROCESS; //删除边 if (verify_edge(u, v)) { remove_edge(u, v); } //设为本线程 tg->lock_list[idx].th_id = thread_id; // printf("获得 lock idx:%d \n", idx); } pthread_mutex_unlock_f(&tg->mutex); }
lock_unafter
unlock就相当于分手，如果她没有备胎，那么她就恢复单身(pair置空)，如果她有备胎，那就随她吧~
void unlock_after(unsigned long int thread_id, unsigned long int lock) { pthread_mutex_lock_f(&tg->mutex); int idx = search_lock(lock); //如果入度为0，说明没有别的线程指向该锁，则把这个idx位置置空 if (tg->lock_list[idx].degress == 0) { tg->lock_list[idx].th_id = 0; tg->lock_list[idx].lock_id = 0; } pthread_mutex_unlock_f(&tg->mutex); }
死锁检测线程的调试
下面来测试这个场景：
/* ******* ******************Debug 1****************** ******* */ pthread_mutex_t mutex_1 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; pthread_mutex_t mutex_2 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; pthread_mutex_t mutex_3 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; pthread_mutex_t mutex_4 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; void *thread_rountine_1(void *args) { pthread_t selfid = pthread_self(); // printf("thread_routine 1 : %ld \n", selfid); pthread_mutex_lock(&mutex_1); sleep(1); pthread_mutex_lock(&mutex_2); pthread_mutex_unlock(&mutex_2); pthread_mutex_unlock(&mutex_1); return (void *) (0); } void *thread_rountine_2(void *args) { pthread_t selfid = pthread_self(); // printf("thread_routine 2 : %ld \n", selfid); pthread_mutex_lock(&mutex_2); sleep(1); pthread_mutex_lock(&mutex_3); pthread_mutex_unlock(&mutex_3); pthread_mutex_unlock(&mutex_2); return (void *) (0); } void *thread_rountine_3(void *args) { pthread_t selfid = pthread_self(); // printf("thread_routine 3 : %ld \n", selfid); pthread_mutex_lock(&mutex_3); sleep(1); pthread_mutex_lock(&mutex_4); pthread_mutex_unlock(&mutex_4); pthread_mutex_unlock(&mutex_3); return (void *) (0); } void *thread_rountine_4(void *args) { pthread_t selfid = pthread_self(); // printf("thread_routine 4 : %ld \n", selfid); pthread_mutex_lock(&mutex_4); sleep(1); pthread_mutex_lock(&mutex_1); pthread_mutex_unlock(&mutex_1); pthread_mutex_unlock(&mutex_4); return (void *) (0); } int main() { init_hook(); start_check(); printf("start_check\n"); pthread_t tid1, tid2, tid3, tid4; pthread_create(&tid1, NULL, thread_rountine_1, NULL); pthread_create(&tid2, NULL, thread_rountine_2, NULL); pthread_create(&tid3, NULL, thread_rountine_3, NULL); pthread_create(&tid4, NULL, thread_rountine_4, NULL); pthread_join(tid1, NULL); pthread_join(tid2, NULL); pthread_join(tid3, NULL); pthread_join(tid4, NULL); return 0; }
