死鎖檢測實現
阿新 • • 發佈：2021-10-06
一、背景
在工作專案使用多程序、多執行緒過程中，因爭奪資源而造成一種資源競態，所以需加鎖處理。如下圖所示，執行緒A想獲取執行緒B的鎖，執行緒B想獲取執行緒C的鎖，執行緒 C 想獲取執行緒D的鎖， 執行緒D想獲取執行緒A的鎖，從而構建了一個資源獲取環，當程序或者執行緒申請的鎖處於相互交叉鎖住的情況，就會出現死鎖，它們將無法繼續執行。
死鎖的存在是因為有資源獲取環的存在，所以只要能檢測出資源獲取環，就等同於檢測出死鎖的存在。
二、原理
在不改變專案原始碼的情況下，採用圖演算法來檢測環的存在，使用有向圖來儲存；如執行緒A獲取執行緒B已佔用的鎖（表示執行緒B獲取鎖成功），則為執行緒A指向執行緒B；啟動一個執行緒定時對圖進行檢測是否有環的存在。
（1）資料結構
//資料/點 struct node{ uint64 thread_id;//執行緒ID uint64 lock_id;//鎖ID int degress; }; //資料和資料結構分開 struct vertex{ struct node *d; struct vertex *next; }; struct graph{ struct vertex list[THREAD_MAX];//儲存圖的所有節點 int num;//已經使用了多少個 struct node locklist[THREAD_MAX]; intlockidx; pthread_mutex_t mutex;//執行緒安全考慮，在對圖修改時加鎖 };
（2）圖的操作
a.建立圖節點
//建立圖節點 struct vertex *create_vertex(struct node *d){ struct vertex *tex = (struct vertex*)calloc(1,sizeof(struct vertex)); if(tex == NULL) return NULL; tex->d = d; tex->next = NULL; returntex; }
b.查詢節點
//查詢節點，是否存在 int search_vertex(struct node *d){ int i; for (i = 0; i < tg->num; i++) { if (tg->list[i].d->thread_id == d->thread_id) { return i; } } return -1; }
c.新增節點
//新增節點，只是把新增的節點放到list中，還沒有確定各節點間的指向，必須通過add_edge新增邊來確定 void add_vertex(struct node *d){ if (search_vertex(d) == -1) { tg->list[tg->num].d = d;//新增到list中 tg->list[tg->num].next = NULL; tg->num++;//節點數累加 } }
d.新增邊，指定方向
//新增邊，指定方向，誰指向誰 void add_edge(struct node *from, struct node *to){ add_vertex(from); add_vertex(to); struct vertex *v = &tg->list[search_vertex(from)]; while (v->next != NULL) { v = v->next; } v->next = create_vertex(to); }
e.檢測節點間是否有邊
//檢測節點from和to間是否有邊連線 int verifty_edge(struct node *from, struct node *to){ if(tg->num == 0) return 0; int idx = search_vertex(from); if(idx == -1) return 0; struct vertex *v = &(tg->list[idx]); while(v != NULL){ if(v->d->thread_id == to->thread_id) return 1; v = v->next; } return 0; }
f.刪除邊
//刪除邊 void remove_edge(struct node *from, struct node *to){ int idxi = search_vertex(from); int idxj = search_vertex(to); if(idxi != -1 && idxj !=-1){ struct vertex *v = &tg->list[idxi]; struct vertex *remove; while(v->next != NULL){ if(v->next->d->thread_id == to->thread_id){//找到要刪除的節點 remove = v->next; v->next = v->next->next; free(remove); break; } v = v->next; } } }
（3）圖遍歷
本文采用圖遍歷中最為常用的深度優先搜尋進行遍歷，程式碼如下。
//dfs深度遍歷 int dfs(int idx){ struct vertex *v = &tg->list[idx]; if(visited[idx] == 1){//有環 path[k++] = idx; print_deadlock(); deadlock = 1; return 0; } visited[idx] =1;//被遍歷到了，賦值為1，保證同一個節點只能遍歷一次 path[k++] = idx; while(v->next !=NULL){ dfs(search_vertex(v->next->d)); k--; v = v->next; } return 1; } //遍歷圖，任意從圖的一個節點出發，對每一個節點進行dfs遍歷 int search_for_cycle(int idx){ struct vertex *v = &tg->list[idx]; visited[idx] = 1; k = 0; path[k++] = idx; while(v->next != NULL){ int i = 0; for (; i < tg->num; i++) { if(i == idx){ continue; } visited[i] = 0; } for(i = 1; i <= THREAD_MAX; i++){ path[i] = -1; } k = 1; dfs(search_vertex(v->next->d)); v = v->next; } }
（4）啟動檢測
啟動執行緒定時檢測圖是否有環，程式碼如下。
//從第0個節點開始dfs void check_dead_lock(){ int i = 0; deadlock = 0; for(;i < tg->num; i++){ if(deadlock == 1) break; search_for_cycle(i); } if(deadlock == 0){ printf("no deadlock\n"); } } //檢測鎖執行緒func static void *thread_func(void *args){ while(1){ sleep(5); check_dead_lock(); } } //啟動檢測鎖執行緒 void start_check(){ tg = (struct graph*)malloc(sizeof(struct graph)); tg->num = 0; tg->lockidx = 0; pthread_t tid; pthread_create(&tid,NULL,thread_func,NULL); }
（5）鉤子hook
為了不改變專案原始碼，使用hook在應用程式呼叫系統加鎖、解鎖API時進行劫持，使其實際呼叫的是應用程式定義的加鎖、解鎖API；再進行加鎖、解鎖前，我們先去理解3個狀態，加鎖前、加鎖後、解鎖後，即：lock_before、lock_after、unlock_after，通過這三個函式與圖構建起來，具體實現如下。
//1.沒有被其他執行緒佔用，不用處理 //2.有被其它執行緒佔用，就要把邊構建起來 // 新增邊 void lock_before(uint64 thread_id, uint64 lockid){ int idx = 0; for(;idx < tg->lockidx;idx++){ if(tg->locklist[idx].lock_id == lockid){ struct node from; from.thread_id = thread_id; add_vertex(&from); struct node to; to.thread_id = tg->locklist[idx].thread_id; tg->locklist[idx].degress++; add_vertex(&to); if(!verifty_edge(&from, &to)){ add_edge(&from, &to);//新增邊 } } } }
//1.沒有被其它執行緒佔用 //先加入一個節點add_edge //2.有被佔用 //是進不來lock_after的 // //等unlock_after 釋放後 // mtx沒有主人 void lock_after(uint64 threadid, uint64 lockid) { int idx = 0; if(-1 == (idx = search_lock(lockid))){ int eidx = search_empty_lock(); tg->locklist[eidx].thread_id = threadid; tg->locklist[eidx].lock_id = lockid; inc(&tg->lockidx, 1); }else{ struct node from; from.thread_id = threadid; struct node to; to.thread_id = tg->locklist[idx].thread_id; tg->locklist[idx].degress--; if(verifty_edge(&from, &to)){ remove_edge(&from, &to);//不在死鎖檢測的圈裡面了,所以刪除邊 } tg->locklist[idx].thread_id = threadid; } }
void unlock_after(uint64 threadid, uint64 lockid) { int idx = search_lock(lockid); if(tg->locklist[idx].degress == 0){ tg->locklist[idx].thread_id = 0; tg->locklist[idx].lock_id = 0; } }
honk鉤子主要實現pthread_mutex_lock、pthread_mutex_unlock的劫持，具體實現如下。
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex){ pthread_t selfid = pthread_self(); lock_before(selfid, (uint64)mutex); pthread_mutex_lock_f(mutex);//執行系統加鎖的入口函式 lock_after(selfid, (uint64)mutex); } int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t * mutex){ pthread_t selfid = pthread_self(); pthread_mutex_unlock_f(mutex);//執行系統解鎖的入口函式 unlock_after(selfid, (uint64)mutex); } static int init_hook(){ pthread_mutex_lock_f = dlsym(RTLD_NEXT,"pthread_mutex_lock"); pthread_mutex_unlock_f = dlsym(RTLD_NEXT,"pthread_mutex_unlock"); }
（6）Demo
//測試樣例 pthread_mutex_t mtx1 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; pthread_mutex_t mtx2 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; pthread_mutex_t mtx3 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; pthread_mutex_t mtx4 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; void *th_func1(void *arg) { pthread_mutex_lock(&mtx1); sleep(1); pthread_mutex_lock(&mtx2); pthread_mutex_unlock(&mtx2); pthread_mutex_unlock(&mtx1); } void *th_func2(void *arg) { pthread_mutex_lock(&mtx2); sleep(1); pthread_mutex_lock(&mtx3); pthread_mutex_unlock(&mtx3); pthread_mutex_unlock(&mtx2); } void *th_func3(void *arg) { pthread_mutex_lock(&mtx3); sleep(1); pthread_mutex_lock(&mtx1); pthread_mutex_unlock(&mtx1); pthread_mutex_unlock(&mtx3); } void *th_func4(void *arg) { pthread_mutex_lock(&mtx2); sleep(1); pthread_mutex_lock(&mtx3); pthread_mutex_unlock(&mtx3); pthread_mutex_unlock(&mtx2); } int main(){ init_hook();//初始化hook start_check();//啟動檢測死鎖執行緒 pthread_t t1,t2,t3,t4; pthread_create(&t1,NULL,th_func1,NULL); pthread_create(&t2,NULL,th_func2,NULL); pthread_create(&t3,NULL,th_func3,NULL); pthread_create(&t4,NULL,th_func4,NULL); pthread_join(t1,NULL); pthread_join(t2,NULL); pthread_join(t3,NULL); pthread_join(t4,NULL); return 0; }