深入理解死結（Deadlock）與發生條件

更新日期： 2025 年 3 月 4 日

在電腦科學與資料庫管理中，「死結（Deadlock）」 是一種常見的問題，通常發生在多個執行緒或交易（Transaction）同時競爭資源時。

當一組交易彼此無限期地等待對方釋放資源，而這些資源又不會主動釋放時，就會發生死結。

舉個簡單的例子：

• 交易 A 鎖住 資源 X，並且在等待 資源 Y。
• 交易 B 鎖住 資源 Y，但也在等待 資源 X。
• 兩者互相等待對方釋放資源，導致無限等待的情況，這就是死結。

什麼是死結（Deadlock）？

死結的定義

死結（Deadlock）是指兩個或以上的程序（或交易）無限期地互相等待對方釋放資源，導致系統進入僵局，無法繼續執行。

死結的例子

範例 1️⃣：兩輛車在狹窄道路上互相阻擋

想像一下，兩輛車同時進入一條只能容納一輛車的狹窄巷道：

1. 車 A 來自西邊，進入巷道後等待車 B 讓路。
2. 車 B 來自東邊，進入巷道後等待車 A 讓路。
3. 兩輛車都不願意倒車，也無法前進，導致交通堵塞，這就是死結。

範例 2️⃣：資料庫中的交易死結

考慮以下 SQL 交易：

-- 交易 A：先鎖住 accounts 表的 ID = 1，再試圖鎖住 ID = 2
BEGIN;
LOCK TABLE accounts IN EXCLUSIVE MODE WHERE id = 1;
LOCK TABLE accounts IN EXCLUSIVE MODE WHERE id = 2;

-- 交易 B：先鎖住 accounts 表的 ID = 2，再試圖鎖住 ID = 1
BEGIN;
LOCK TABLE accounts IN EXCLUSIVE MODE WHERE id = 2;
LOCK TABLE accounts IN EXCLUSIVE MODE WHERE id = 1;

此時：

• 交易 A 持有 ID = 1，等待 ID = 2
• 交易 B 持有 ID = 2，等待 ID = 1
• 兩者互相等待，導致死結。

graph TD;
    A["交易 A"]
    B["交易 B"]
    X["資源 X (ID = 1)"]
    Y["資源 Y (ID = 2)"]

    A -->|鎖定| X
    B -->|鎖定| Y
    A -.->|等待| Y
    B -.->|等待| X

死結的必要條件（Necessary Conditions）

要發生死結，系統必須滿足以下四個條件（如果其中任何一個條件不成立，死結就不會發生）。

互斥條件（Mutual Exclusion）

🔹 資源只能被一個交易使用，無法共享

這表示當某個交易或程序已經持有某個資源時，其他交易就不能同時使用這個資源，必須等它釋放後才能拿到。

📌 舉例：

假設有 一張 ATM 機，當 A 用戶 正在操作時，B 用戶 不能同時使用這台機器，必須等 A 完成操作後才能輪到 B。

持有並等待（Hold and Wait）

🔹 交易在持有資源的同時，還在等待其他資源

這表示一個交易已經鎖定了一部分資源，但它還想要更多資源，而這些資源可能已經被其他交易鎖住。

📌 舉例：

1️⃣ A（男生） 已經向身邊的朋友透露自己喜歡 B（女生）（持有「對 B 的感情」這個資源），但他不想自己先開口，希望 B 先告白（等待「B 的主動表白」這個資源）。

2️⃣ B（女生） 其實也喜歡 A，並且也向朋友表達過對 A 的好感（持有「對 A 的感情」這個資源），但她不想自己先開口，希望 A 先告白（等待「A 的主動表白」這個資源）。

3️⃣ 結果：

• A 不願意先告白，因為他還在等 B 先開口。
• B 也不願意先告白，因為她還在等 A 先開口。
• 雙方都已經擁有對彼此的愛意（持有資源），但誰也不願意放棄「等對方先開口」的機會（等待資源），結果雙方陷入長期曖昧，關係停滯不前，形成感情上的死結。

不可剝奪（No Preemption）

🔹 資源不能被強制奪走，只有持有資源的交易可以釋放

這表示當一個交易持有某個資源時，系統無法強制把資源拿走，只能等交易自己釋放。

📌 舉例：

• A 用戶 取款時，ATM 機內部已經開始處理交易，但突然 B 用戶急著用 ATM。
• 系統不會強制中斷 A 用戶的交易，然後讓 B 用戶先用，因為資源只能被持有者自己釋放。
• B 只能無限等待，直到 A 用戶操作結束，ATM 機才會空出來。

循環等待（Circular Wait）

🔹 交易之間形成「等待環」，互相等待對方釋放資源，導致無限卡住

這表示一組交易在環狀的等待關係中，每個交易都在等待另一個交易釋放資源，但沒有人能先釋放，最終所有交易都無限等待，導致死結。

📌 舉例：

1. 交易 A 持有資源 X，並等待資源 Y
2. 交易 B 持有資源 Y，並等待資源 X
3. 交易 A 無法執行，因為 B 不釋放資源 Y；交易 B 也無法執行，因為 A 不釋放資源 X
4. 這形成了一個環狀等待（Circular Wait），導致雙方都被卡住，進入死結。

死結的影響

• 系統無法繼續執行：所有涉及的交易都陷入等待狀態，導致應用程式無法正常運作。
• 效能下降：系統資源被鎖住，影響其他交易的執行，導致整體效能下降。
• 數據一致性風險：如果死結發生且沒有被適當處理，可能會導致數據不一致，甚至影響數據完整性。

預防死結的方法（如何避免死結發生？）

死結通常是因為交易互相等待對方釋放資源而產生，因此可以透過以下方法來降低發生死結的機率。

資源請求順序統一

當交易請求多個資源時，應該統一請求的順序，確保所有交易按照相同的順序來請求資源。這樣可以避免「循環等待（Circular Wait）」條件的產生。

📌 示例： 假設我們的系統有兩種資源：

• 資源 X（例如：客戶帳戶資料）
• 資源 Y（例如：交易記錄表）

交易請求的順序應該統一，例如：

• 交易 A 先請求 資源 X，再請求 資源 Y
• 交易 B 也必須先請求 資源 X，再請求 資源 Y

🚫 錯誤情況（可能導致死結）：

• 交易 A 先鎖住 資源 X，然後等待 資源 Y
• 交易 B 先鎖住 資源 Y，然後等待 資源 X
• 兩者形成「循環等待」，導致死結

✅ 正確做法（可避免死結）：

• 所有交易都統一「先請求 X，再請求 Y」，這樣交易之間不會互相等待資源而卡住。

設置資源請求超時（Timeout）

當交易嘗試獲取資源時，應該設定最大等待時間，如果超過這個時間仍然無法獲取資源，則自動放棄並回滾交易，避免死結的發生。

📌 MySQL 設置交易鎖等待時間（10 秒）

SET innodb_lock_wait_timeout = 10;

這表示：

• 若交易等待超過 10 秒仍無法獲取所需的資源，則自動回滾該交易，釋放已持有的資源，讓其他交易可以繼續執行。

這種方法可以確保系統不會因為某一筆交易長時間卡住資源，而影響其他交易的執行。

避免「持有並等待」（Hold and Wait）

當交易在請求新資源之前，應該先釋放已持有的資源，避免交易同時持有一部分資源，並且等待額外的資源，導致死結。

📌 正確做法（確保交易不會長時間持有資源）

BEGIN;
LOCK TABLE accounts IN EXCLUSIVE MODE WHERE id = 1;
COMMIT;  -- 先釋放已鎖住的資源
BEGIN;
LOCK TABLE accounts IN EXCLUSIVE MODE WHERE id = 2;
COMMIT;

這樣可以確保：

• 交易在請求新資源前，已經釋放舊資源，減少交易長時間鎖住多個資源的機率。
• 避免「持有部分資源 + 等待其他資源」的情況，從而減少死結的發生。

如何解除死結？

當死結已經發生時，系統應該主動偵測並解除，否則交易會無限期地互相等待，導致系統效能下降或無法執行新的交易。

檢測死結並終止交易

大部分的資料庫管理系統（如 MySQL、PostgreSQL）內建死結偵測機制，當偵測到死結時，會強制回滾其中一個交易，讓其他交易能夠繼續執行。

📌 查詢 MySQL 當前的死結資訊

SHOW ENGINE INNODB STATUS;

這條指令可以顯示：

• 當前發生的死結交易
• 哪些交易互相等待
• 交易佔用了哪些資源

✅ 如何解決？

• 讓系統自動回滾某些交易（通常是等待時間最長的交易）。
• 手動終止某個交易，讓其他交易繼續執行。

手動終止（KILL）特定交易

如果系統沒有自動解決死結，或者我們希望手動介入，則可以使用 KILL 指令來強制終止某個交易，讓其他交易能夠繼續執行。

📌 步驟 1：查詢當前正在執行的交易

SHOW PROCESSLIST;

這條指令會顯示目前系統內正在執行的所有交易，包含：

• id（交易 ID）
• user（執行交易的使用者）
• host（來源主機）
• db（影響的資料庫）
• command（執行中的指令）
• time（交易執行時間）
• state（交易狀態，如「Waiting for table lock」）

📌 步驟 2：終止特定交易

KILL <transaction_id>;

假設我們發現交易 ID 為 1234 的交易導致死結，我們可以執行：

KILL 1234;

這樣就能強制終止該交易，釋放其持有的資源，讓其他交易可以繼續執行。

結論

✅ 死結（Deadlock）發生時，交易互相等待對方釋放資源，導致無限期卡住，影響系統效能。

✅ 死結發生的必要條件有四個：互斥、持有並等待、不可剝奪、循環等待。只要打破其中一個條件，就能預防死結。

✅ 常見的預防策略包括設定資源請求順序、設置超時機制、優化資源管理等。

✅ 如果死結已發生，可透過資料庫的死結偵測機制、超時回滾或手動終止交易來解決。

掌握這些概念後，你就能有效預防與解決死結問題，確保資料庫系統的穩定運行！ 💡