Java、子进程和未读输出流：什么时候死锁？

Question

当使用Runtime.exec() 在 java 中创建子进程时，我知道我必须填充输入/排出输出流以防止子进程阻塞。

有趣的是，Process 的 javadoc 声明了更多内容：

...failure to promptly write the input stream or read the output stream of
the subprocess may cause the subprocess to block, and even deadlock.

我想知道在这种情况下子进程可能也死锁！

问题：
1、什么情况下会死锁？
2. 为什么会死锁？
3. 能否提供一个简短的示例程序来显示这种死锁？
4. 这个死锁是操作系统的bug吗？

Answer 1

当父级在读取任何输出之前尝试向其子级的输入流发送过多数据时，由于缓冲区大小有限，可能会发生死锁。

考虑这段代码：

final int LINES = 10;
// "tr" is a Unix command that translates characters;
// Here, for every line it reads, it will output a line with
// every 'a' character converted to 'A'.  But any command that outputs
// something for every line it reads (like 'cat') will work here
Process p = Runtime.getRuntime().exec("tr a A");
Writer out = new OutputStreamWriter(p.getOutputStream());
for (int i = 0; i < LINES; i++) {
    out.write("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz\n");
}
out.close();
// Read all the output from the process and write it to stdout
BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(p.getInputStream()));
String line;
while ((line = in.readLine()) != null) {
    System.out.println(line);
}

对于lines 的小值，它可以正常工作；在我们开始读取之前，tr 的所有输出都可以放入操作系统缓冲区。但是，对于较大的值（>10000 应该就足够了），操作系统缓冲区将被填满；在tr 命令中，对write 的调用将被阻塞，等待缓冲区被耗尽，反过来，Java 代码正在写入的缓冲区将被填满（因为tr 被阻塞，阻止它从其输入读取），进而阻塞我们的对out.write的调用，导致两个进程都在等待写入未主动读取的完整缓冲区的死锁。

这种死锁不是操作系统中的错误，因为用于进程间通信的有限缓冲区大小是经过深思熟虑的设计决定。替代方案（无限的缓冲区大小）有一些缺点：

• 会耗尽内核内存
• 为避免上述情况，如果缓冲区自动“溢出”到磁盘，可能会导致无法预测的性能并可能会填满磁盘。

---

顺便说一句，死锁也可能由于进程内缓冲区而发生。假设，为了尝试解决上面的死锁，我们将 Java 代码更改为写一行，然后读一行，交替进行。但是，it's common for Linux processes to not flush after every line when they're not writing directly to a terminal。所以tr 可能会读取一行，并将其写入它的 libc 输出缓冲区，然后阻塞等待写入下一行——而我们的 Java 代码将阻塞等待 tr 输出一行。

Answer 2

僵局始终涉及至少 2 名参与者。所以可能死锁的不仅仅是子进程，而是父进程和子进程的结合。

举个例子：

子进程想要读取一行，处理它并打印结果。 父进程认为它可以先从子进程读取输出，然后才向它提供输入。

结果：死锁，两个进程都在等待对方的输入。

因此，不，这不是操作系统中的错误，而是（父）进程中的逻辑错误。