JAVA生产环境死锁排查方法：jstack线程状态分析完整路径 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

好的，让我们深入探讨JAVA生产环境死锁排查方法以及如何利用jstack进行线程状态分析。

一、死锁的概念与产生原因

死锁是指两个或多个线程互相持有对方需要的资源，导致所有线程都无法继续执行下去的僵局状态。产生死锁通常需要满足以下四个必要条件（Coffman条件）：

互斥条件（Mutual Exclusion）： 资源必须处于独占模式，即一次只能有一个线程占用。
占有且等待条件（Hold and Wait）： 线程已经持有至少一个资源，但同时请求新的资源，而新资源被其他线程占用。
不可剥夺条件（No Preemption）： 线程已经获得的资源在未使用完毕之前不能被其他线程强行剥夺，只能由持有线程主动释放。
循环等待条件（Circular Wait）： 存在一个线程集合{T1, T2, …, Tn}，其中T1等待T2持有的资源，T2等待T3持有的资源，依此类推，直到Tn等待T1持有的资源，形成一个环路。

只要这四个条件同时满足，就可能发生死锁。

二、模拟死锁场景

为了更好地演示死锁排查，我们先创建一个模拟死锁的Java程序：

public class DeadlockExample {

    private static final Object lock1 = new Object();
    private static final Object lock2 = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock1) {
                System.out.println("Thread 1: Holding lock1...");
                try {
                    Thread.sleep(10); // 稍微等待，放大死锁发生的概率
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("Thread 1: Waiting for lock2...");
                synchronized (lock2) {
                    System.out.println("Thread 1: Acquired lock2!");
                }
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock2) {
                System.out.println("Thread 2: Holding lock2...");
                try {
                    Thread.sleep(10); // 稍微等待，放大死锁发生的概率
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("Thread 2: Waiting for lock1...");
                synchronized (lock1) {
                    System.out.println("Thread 2: Acquired lock1!");
                }
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

在这个例子中，thread1 先获取 lock1，然后尝试获取 lock2；而 thread2 先获取 lock2，然后尝试获取 lock1。如果两个线程同时运行，很可能进入死锁状态。

三、使用jstack进行死锁检测

获取进程ID (PID)：首先，需要找到Java进程的PID。可以使用 jps 命令（Java Virtual Machine Process Status Tool）来获取当前运行的Java进程及其PID。在命令行中输入 jps -l 就可以列出Java进程，并显示主类的完整路径。
```
jps -l
// 输出类似
// 12345 DeadlockExample
```
这里的 12345 就是我们需要使用的PID。
运行jstack：使用 jstack 命令来生成线程转储快照（Thread Dump）。命令的格式为 jstack <PID>。
```
jstack 12345 > thread_dump.txt
```
这将把线程转储信息输出到 thread_dump.txt 文件中。强烈建议将输出重定向到文件，方便后续分析。
分析线程转储文件：打开 thread_dump.txt 文件，开始分析线程状态。重点关注以下几个方面：
- 死锁信息：jstack 会自动检测死锁，并在输出中明确标明。搜索 "deadlock" 关键字。如果发现死锁，jstack 会打印出涉及死锁的线程信息，以及它们正在等待的锁。
- 线程状态：关注线程的状态，常见的状态包括：
  - RUNNABLE: 线程正在执行Java代码。
  - BLOCKED: 线程正在等待获取锁。这是死锁排查的重点。
  - WAITING: 线程正在等待另一个线程执行特定动作。例如，调用了 Object.wait() 方法。
  - TIMED_WAITING: 线程在指定的时间内等待另一个线程执行特定动作。例如，调用了 Thread.sleep() 或 Object.wait(timeout) 方法。
  - NEW: 线程尚未启动。
  - TERMINATED: 线程已执行完毕。
- 锁信息：查看线程持有的锁和正在等待的锁。线程转储信息会显示线程持有的锁的Object id，以及它正在等待获取的锁的Object id。通过这些信息可以确定死锁的环路。
- 线程堆栈：查看线程的堆栈信息，可以了解线程当前正在执行的代码。通过分析堆栈信息，可以找到导致死锁的代码位置。

四、线程转储文件分析示例

假设 thread_dump.txt 文件中包含以下内容：

2024-10-27 14:30:00
Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.201-b09, mixed mode)

"Thread-1" #12 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000001a2b3c00 nid=0x3084 waiting for monitor entry [0x000000001b3d8000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
    at DeadlockExample.lambda$main$0(DeadlockExample.java:15)
    - waiting to lock <0x000000076b0d1a70> (a java.lang.Object)
    - locked <0x000000076b0d1a60> (a java.lang.Object)
    at DeadlockExample$$Lambda$1/1792999938.run(Unknown Source)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

"Thread-0" #11 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000001a2b2800 nid=0x2f98 waiting for monitor entry [0x000000001b2d7000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
    at DeadlockExample.lambda$main$1(DeadlockExample.java:28)
    - waiting to lock <0x000000076b0d1a60> (a java.lang.Object)
    - locked <0x000000076b0d1a70> (a java.lang.Object)
    at DeadlockExample$$Lambda$2/2038514550.run(Unknown Source)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

Found one Java-level deadlock:
=============================
"Thread-1":
  waiting to lock monitor 0x000000001b3d8000 (object 0x000000076b0d1a70, a java.lang.Object),
  which is held by "Thread-0"
"Thread-0":
  waiting to lock monitor 0x000000001b2d7000 (object 0x000000076b0d1a60, a java.lang.Object),
  which is held by "Thread-1"

Java stack information for the threads listed above:
===================================================
"Thread-1":
    at DeadlockExample.lambda$main$0(DeadlockExample.java:15)
    - waiting to lock <0x000000076b0d1a70> (a java.lang.Object)
    - locked <0x000000076b0d1a60> (a java.lang.Object)
    at DeadlockExample$$Lambda$1/1792999938.run(Unknown Source)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
"Thread-0":
    at DeadlockExample.lambda$main$1(DeadlockExample.java:28)
    - waiting to lock <0x000000076b0d1a60> (a java.lang.Object)
    - locked <0x000000076b0d1a70> (a java.lang.Object)
    at DeadlockExample$$Lambda$2/2038514550.run(Unknown Source)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

===================================================

分析：

死锁检测：jstack 明确检测到了一个 Java-level deadlock。
涉及线程：涉及死锁的线程是 "Thread-1" 和 "Thread-0"。
等待的锁："Thread-1" 正在等待锁 0x000000076b0d1a70，该锁被 "Thread-0" 持有。"Thread-0" 正在等待锁 0x000000076b0d1a60，该锁被 "Thread-1" 持有。
代码位置：通过堆栈信息，可以定位到导致死锁的代码行数：DeadlockExample.java:15 和 DeadlockExample.java:28。

五、解决死锁

根据死锁产生的四个必要条件，我们可以通过破坏其中一个或多个条件来避免或解决死锁。常用的方法包括：

避免循环等待：
- 资源排序：为所有资源分配一个全局唯一的序号，线程按照序号递增的顺序请求资源。这样可以打破循环等待的条件。
避免占有且等待：
- 一次性获取所有资源：线程在执行任何操作之前，一次性获取所有需要的资源。如果无法获取所有资源，则释放已获取的资源，稍后重试。这种方法简单粗暴，但可能导致资源利用率降低。
- 资源预分配：在线程启动前，预先分配好所有需要的资源。但这种方法不适用于所有场景，因为有些资源可能需要在运行时才能确定。
允许剥夺：
- 超时放弃：线程在等待锁时，设置一个超时时间。如果在超时时间内无法获取锁，则放弃已获取的资源，稍后重试。这可以避免线程长时间阻塞，但可能导致任务失败。
死锁检测与恢复：
- 死锁检测：定期检测系统中是否存在死锁。可以使用 jstack 或其他工具进行死锁检测。
- 死锁恢复：如果检测到死锁，则采取措施解除死锁。常用的方法包括：
  - 终止线程：终止一个或多个参与死锁的线程。这可能会导致数据丢失或不一致，因此需要谨慎使用。
  - 回滚事务：如果死锁发生在数据库事务中，可以回滚一个或多个事务，释放资源。

六、修改死锁示例代码

为了避免死锁，我们可以修改 DeadlockExample 代码，使用资源排序的方法：

public class DeadlockFixedExample {

    private static final Object lock1 = new Object(); // 优先级较高
    private static final Object lock2 = new Object(); // 优先级较低

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            // 总是先获取 lock1，再获取 lock2
            synchronized (lock1) {
                System.out.println("Thread 1: Holding lock1...");
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("Thread 1: Waiting for lock2...");
                synchronized (lock2) {
                    System.out.println("Thread 1: Acquired lock2!");
                }
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            // 总是先获取 lock1，再获取 lock2，打破循环等待
            synchronized (lock1) { // 修改：先获取 lock1
                System.out.println("Thread 2: Holding lock1...");
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("Thread 2: Waiting for lock2...");
                synchronized (lock2) {
                    System.out.println("Thread 2: Acquired lock2!");
                }
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

在这个修改后的版本中，thread2 也先获取 lock1，再获取 lock2。这样就打破了循环等待的条件，避免了死锁的发生。

七、生产环境死锁排查的注意事项

不要随意重启：在生产环境中，发生死锁时，不要立即重启服务。重启虽然可以暂时解决问题，但会丢失死锁的现场信息，不利于后续的排查和修复。
保存线程转储：在发生死锁时，立即使用 jstack 命令生成线程转储文件，并妥善保存。可以多次生成线程转储文件，以便观察线程状态的变化。
分析日志：除了线程转储文件，还需要分析应用程序的日志，查找与死锁相关的异常或错误信息。
代码审查：仔细审查代码，查找可能导致死锁的代码片段。重点关注锁的使用、资源竞争、事务处理等方面。
压力测试：在修复死锁后，进行充分的压力测试，确保问题已经彻底解决，并且不会引入新的问题. 使用工具如 JMeter, LoadRunner进行模拟高并发场景, 观察线程状态的变化.

八、其他死锁检测工具

除了 jstack，还有一些其他的工具可以用于死锁检测：

VisualVM：VisualVM 是一个图形化的 JVM 监控和分析工具，可以用于查看线程状态、CPU 使用率、内存使用情况等。 VisualVM 提供了死锁检测功能，可以方便地检测和分析死锁。
YourKit Java Profiler：YourKit Java Profiler 是一个商业的 Java 性能分析工具，提供了强大的死锁检测和分析功能。
Java Mission Control (JMC)：JMC 是 Oracle 提供的免费的 JVM 监控和管理工具，可以用于查看线程状态、内存使用情况等。 JMC 也可以用于死锁检测。

工具	优点	缺点
jstack	简单易用，无需额外安装。	命令行工具，分析结果需要手动解析。
VisualVM	图形化界面，易于使用。	功能相对简单，对于复杂的死锁场景可能不够强大。
YourKit Java Profiler	功能强大，提供详细的死锁分析信息。	商业软件，需要付费。
Java Mission Control (JMC)	Oracle 官方工具，免费使用。	界面复杂，需要一定的学习成本。

九、死锁预防的策略

除了事后排查死锁，更重要的是在编码阶段就预防死锁的发生。以下是一些常见的死锁预防策略：

避免嵌套锁：尽量避免在一个同步块中获取多个锁。如果必须获取多个锁，确保以相同的顺序获取它们。
使用锁超时：使用 tryLock() 方法设置锁的超时时间。如果在超时时间内无法获取锁，则放弃操作，避免长时间阻塞。
减少锁的持有时间：只在必要的时候才持有锁，尽快释放锁。
使用无锁数据结构：在某些场景下，可以使用无锁数据结构（例如，ConcurrentHashMap、AtomicInteger）来避免锁的使用。
使用可重入锁：ReentrantLock 允许同一个线程多次获取同一个锁，可以避免某些死锁情况。

十、总结

死锁是多线程编程中常见的问题。通过 jstack 命令，我们可以快速检测和分析死锁，并找到导致死锁的代码位置。更重要的是，在编码阶段就应该注意预防死锁的发生，避免不必要的锁竞争，提高程序的并发性能。掌握死锁的原理、排查方法和预防策略，是成为一名优秀的 Java 开发者的必备技能。
死锁排查需要细致的分析和定位，理解线程状态是关键。预防胜于治疗，编写高质量的并发代码至关重要。

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