王道操作系统笔记——— 死锁的处理策略
Posted Xiu Yan
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了王道操作系统笔记——— 死锁的处理策略相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
文章目录
一、死锁的概念
1.1 死锁的定义
在并发环境下，各进程因竞争资源而造成的一种 互相等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，都无法向前推进，都无法向前推进的现象，就是死锁。发生死锁后若无外力干涉，这些进程都将无法向前推进。
1.2 死锁、饥饿、死循环的区别
1.3 死锁产生的必要条件
产生死锁 必须同时满足以下四个条件，只要其中任一条件不成立，死锁就不会发生。
① 互斥条件：只有对必须 互斥使用的资源的争抢 才会导致死锁（如哲学家的筷子、打印机设备）。像内存、扬声器这样可以同时让多个进程使用的资源是不会导致死锁的（因为进程不用阻塞等待这种资源）。
② 不剥夺条件：进程所获得的资源在未使用完之前，不能由其他进程强行夺走，只能主动释放。
③ 请求和保持条件：进程已经 保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源又被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但又对自己已有的资源保持不放。
④ 循环等待条件：存在一种进程资源的 循环等待链，链中的每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求。
注：发生死锁时一定有循环等待，但是发生循环等待时未必死锁，即 循环等待是死锁的必要不充分条件。
如果同类资源数大于1，则即使有循环等待，也未必发生死锁（如上图 Pn 可以同时请求 P1 或者 Pk 的资源，得到 Pk 资源后，不会发生死锁）。 但如果系统中每类资源都只有一个，那循环等待就是死锁的充分必要条件了。
1.4 死锁发生的时机
- 对系统资源的竞争。 各进程对不可剥夺的资源（如打印机）的竞争可能引起死锁，对可剥夺的资源（CPU）的竞争是不会引起死锁的。
- 进程推进顺序非法。 请求和释放资源的顺序不当，也同样会导致死锁。例如，并发执行的进程P1、P2 分别申请并占有了资源 R1、R2，之后进程P1又紧接着申请资源R2，而进程P2又申请资源R1，两者会因为申请的资源被对方占有而阻塞，从而发生死锁。
- 信号量的使用不当也会造成死锁。 如生产者-消费者问题中，如果实现互斥的P操作在实现同步的P操作之前，就有可能导致死锁。
二、死锁的处理策略
死锁的处理策略有三种：死锁预防、避免死锁和死锁的检测和解除。
其中，死锁预防、死锁避免 两种策略 不允许死锁发生，死锁的检测和解除 策略 允许死锁发生。
2.1 死锁预防
死锁的产生必须满足四个必要条件，只要其中一个或者几个条件不满足，死锁不会发生。
-
破坏互斥条件
把只能互斥使用的资源改造为允许共享使用，则系统不会进入死锁状态。如: SPOOLing技术。使用 SPOOLing 技术可以把 独占设备在逻辑上改造成共享设备。策略的缺点： 不是所有的资源都可以改造成可共享使用的资源。并且互斥性对于系统安全很重要。因此，很多时候都无法破坏互斥条件。
-
破坏不剥夺条件
提供两种方案：① 申请资源得不到时，主动释放所占有资源。② 申请资源被其他进程占用时，由 OS 协助剥夺。策略的缺点： 实现起来比较复杂； 释放已获得的资源可能造成前一阶段工作的失效；反复地申请和释放资源会增加系统开销，降低系统吞吐量；方案 ① 可能导致进程饥饿。
-
破坏破坏请求和保持条件
采用 静态分配方法，即进程 在运行前一次申请完它所需要的全部资源，在它的资源未满足前，不让它投入运行。一旦投入运行后，这些资源就一直归它所有，该进程就不会再请求别的任何资源了。策略的缺点： 进程在整个运行期间都一直保持着所有资源，就会造成严重的资源浪费，资源利用率极低。另外，该策略也有 可能导致某些进程饥饿。
-
破坏循环等待条件
采用 顺序资源分配法。首先给系统中的资源编号，要求进程只能按编号递增顺序请求资源。原理分析： 一个进程只有已占有小编号的资源时，才有资格申请更大编号的资源。按此规则，已持有大编号资源的进程不可能逆向地回来申请小编号的资源，从而就不会产生循环等待的现象(类比拓扑排序)。
策略的缺点： 不方便增加新的设备，因为可能需要重新分配所有的编号；进程实际使用资源的顺序可能和编号递增顺序不一致，会导致资源浪费；必须按规定次序申请资源，用户编程麻烦。
2.2 死锁避免
死锁的避免是在资源动态分配过程中，防止系统进入不安全状态，以避免发生死锁。
2.2.1 系统安全状态
系统在资源分配之前，应 先计算 此次分配的安全性，若此次分配不会导致系统进入 不安全状态，则允许分配，否则让系统等待。安全状态 是指系统能按某种进程的 推进顺序 为每个进程 Pi 分配其所需的资源，使每个进程都可顺序完成。所谓的推进顺序就是安全序列。
简而言之：观察系统是否存在安全序列。如果存在，系统则处于安全状态；如果不存在系统则处于不安全状态。
安全序列的计算方法：
已知现有三个进程的资源分配表如下(可用代表系统还剩有 3 个资源)，现假设可用资源每次分配都是全部分配，并且分配给进程的资源总数应满足进程最多还需求的资源数目(如：可用资源有 3 个，由于 P2 进程还需要 2 个资源，因此只能满足 P2)，分配完后回收该进程所拥有的全部资源。
计算步骤如下：
因此得到安全序列是 P2, P1, P3。
如果计算到 P3 时，可用资源无法满足 P3 的最大需求，即还需要的资源数目多于可用资源数目，那么就不存在安全序列。
注：死锁状态一定是不安全状态，不安全状态不一定是死锁状态，即：死锁状态 ⇒ 不安全状态。
如：A 进程需 10 个资源，而可用资源有 5 个。若 A 还未提出申请，则不会进入死锁状态。
系统进入不安全状态后，便可能进入死锁状态；反之，只要系统处于安全状态，系统变可避免进入死锁。
当系统处于安全状态时，系统中一定无死锁。(✓)
当系统处于不安全状态时，系统一定会出现死锁进程。(×)
(来源：2013年408真题)
2.2.2 银行家算法
核心思想： 在分配资源前，预先判断这次分配是否会导致系统进入不安全状态，以此来决定是否答应资源分配请求，从而使得系统避免死锁。
-
数据结构描述：
① 可利用资源向量 A v a i l a b l e Available Available（一维数据）、② 最大需求矩阵 M a x Max Max、③ 分配矩阵 A l l o c a t i o n Allocation Allocation、④ 需求矩阵 N e e d Need Need
以上三个矩阵间存在的关系： N e e d = M a x − A l l o c a t i o n Need = Max - Allocation Need=Max−Allocation
注： A v a i l a b l e ( A , B , C ) = ( 3 , 3 , 2 ) Available(A,B,C)=(3,3,2) Available(A,B,C)=(3,3,2) 代表可用的 A 类资源数目有 3 个，B 类资源数目有3个，C 类资源数目有 2 个。 -
银行家算法描述（只需看蓝字）：
设 R e q u e s t i Request_i Requesti 是进程 P i Pi Pi 的请求向量， R e q u e s t i [ j ] = K Request_i[j]=K Requesti[j]=K 表示进程 P i Pi Pi 需要 j j j 类资源 K K K个。
① 若 R e q u e s t i [ j ] ≤ N e e d [ i , j ] Request_i[j]≤Need[i,j] Requesti[j]≤Need[i,j]，检查此次申请是否超过最多还需求数。
② 若 R e q u e s t i [ j ] ≤ A v a i l a b l e [ j ] Request_i[j]≤Available[j] Requesti[j]≤Available[j]，检查系统的可用资源是否还能满足此次需求。
③ 系统 试探着 把资源分配给 P i Pi Pi，并修改下面数据结构的数值：
A v a i l a b l e = A v a i l a b l e − R e q u e s t i Available = Available - Request_i Available=Available−Requesti，修改 i 进程剩余可用资源数
A l l o c a t i o n [ i , j ] = A l l o c a t i o n [ i , j ] + R e q u e s t i [ j ] Allocation[i,j] = Allocation[i,j]+Request_i[j] Allocation[i,j]=Allocation[i,j]+Requesti[j]，i 进程已分配资源数加上本次请求资源数
N e e d [ i , j ] = N e e d [ i , j ] − R e q u e s t i [ j ] Need[i,j]=Need[i,j]-Request_i[j] Need[i,j]=Need[i,j]−Requesti[j]，i 进程还需的资源数减去本次请求的资源数
④ 执行安全性算法，检查系统是否处于安全状态，即检查当前系统是否存在安全序列。
若系统安全，才正式将资源分配给 P i Pi Pi；否则此次试探分配作废，恢复原来分配状态。
注：安全性算法是银行家算法的核心。 -
安全性算法描述：
设置工作向量 W o r k Work Work，表示系统中剩余可用资源数目。算法执行开始时， W o r k = A v a i l a b l e Work=Available Work=Available。
① 初始时安全序列为空。
② 检查当前的剩余资源是否能满足某个进程的最大需求。如果可以就将它加入安全序列；若找不到执行步骤 ④
③ 把该进程持有资源全部回收，返回步骤 ②
④ 若此时安全序列中已有所有进程，则系统处于安全状态，否则处于不安全状态。
2.2.3 典型例题
假设当前系统中资源分配和剩余情况如下表所示，现
P
1
P_1
P1 发出请求向量
R
e
q
u
e
s
t
1
(
1
,
0
,
2
)
Request_1(1,0,2)
Request1(1,0,2)，判断此次请求是否分配成功。
① 系统按银行家算法进行检查：
R
e
q
u
e
s
t
1
(
1
,
0
,
2
)
≤
N
e
e
d
1
(
1
,
2
,
2
)
，
R
e
q
u
e
s
t
1
(
1
,
0
,
2
)
≤
A
v
a
i
l
a
b
l
e
(
3
,
2
,
2
)
Request_1(1,0,2)≤Need_1(1,2,2)，Request_1(1,0,2)≤Available(3,2,2)
Request1(1,0,2)≤Need1(1,2,2)，Request1(1,0,2)≤Available(3,2,2)
此次申请未超过P1进程最多还需求数，并且当前可用资源数可满足此次申请，则可试探的为P1分配资源，并修改：
A
v
a
i
l
a
b
l
e
=
A
v
a
i
l
a
b
l
e
−
R
e
q
u
e
s
t
1
=
(
2
,
3
,
0
)
Available=Available-Request_1=(2,3,0)
Available=Available−Request1=(2,3,0)
A
l
l
o
c
a
t
i
o
n
1
=
A
l
l
o
c
a
t
i
o
n
1
+
R
e
q
u
e
s
t
1
=
(
3
,
0
,
2
)
Allocation_1= Allocation_1+Request_1=(3,0,2)
Allocation1=Allocation1+Request1(王道408考研操作系统)第二章进程管理-第四节2：死锁处理策略之预防死锁