操作系统—— 进程管理：死锁

Posted 2021-09-17 大彤小忆

• 5. 死锁
• • 5.1 系统模型
  • 5.2 死锁特征
  • • 5.2.1 死锁的必要条件
  • 5.3 死锁预防
  • • 5.3.1 互斥
    • 5.3.2 持有且等待
    • 5.3.3 无抢占
    • 5.3.4 循环等待
  • 5.4 死锁恢复

5. 死锁

  在多道程序环境中，多个进程可以竞争有限数量的资源。当一个进程申请资源时，如果这时没有可用资源，那么这个进程进入等待状态。有时，如果所申请的资源被其他等待进程占有， 那么该等待进程有可能再也无法改变状态。这种情况称为死锁(deadlock) 。

5.1 系统模型

  系统拥有有限数量的资源，需要分配到多个竞争进程。即多进程对共享资源的竞争可能导致死锁。
  在正常模式下，进程只能按如下顺序使用资源：
    1. 申请： 进程请求资源。如果申请不能立即被允许，那么申请进程应等待，直到它能获得该资源为止。
    2. 使用： 进程对资源进行操作。
    3. 释放： 进程释放资源。

5.2 死锁特征

  当死锁时，进程永远不能完成，系统资源被阻塞使用，以致于阻止了其他作业的开始执行。

5.2.1 死锁的必要条件

  如果在一个系统中以下四个条件同时成立，那么就能引起死锁：
    - 互斥(mutual exclusion) ：至少有一个资源必须处于非共享模式， 即一次只有一个进程可使用。如果另一进程申请该资源，那么申请进程应等到该资源释放为止。
    - 占有并等待(hold and wait) ：一个进程应占有至少一个资源， 并等待另一个资源， 而该资源为其他进程所占有。
    - 非抢占(no preemption) ： 资源不能被抢占，即资源只能被进程在完成任务后自愿释放。
    - 循环等待(circular wait) ：有一组等待进程{$P_0$， $P_1$， ……， $P_n$} ， $P_0$等待的资源为$P_1$占有，$P_0$等待的资源为$P_2$占有，……，$P_n$等待的资源为$P_0$占有。

  我们强调所有四个条件必须同时成立才会出现死锁。

  循环等待条件意味着占有并等待条件，这样四个条件并不完全独立。

5.3 死锁预防

  发生死锁有4个必要条件。只要确保至少一个必要条件不成立，就能预防死锁发生。

5.3.1 互斥

  互斥条件必须成立。也就是说，对共享资源的互斥申请。相反，可共享资源不要求互斥访问，因此不会死锁。比如，只读文件是一个很好的共享资源的例子。

5.3.2 持有且等待

  为了确保持有并等待条件不会出现在系统中，应保证：当每个进程申请一个资源时，它不能占有其他资源。
  一种可以采用的协议是，每个进程在执行前申请并获得所有资源。这可以这样实现：要求进程申请资源的系统调用在所有其他系统调用之前进行。
  另外一种协议允许进程仅在没有资源时才可申请资源。一个进程可申请一些资源并使用它们。然而，在它申请更多其他资源之前，它应释放现已分配的所有资源。
  这两种协议有两个主要缺点：
   第一，资源利用率可能比较低，因为许多资源可能已分配，但是很长时间没有被使用。
   第二，可能发生饥饿。一个进程如需要多个常用资源，可能必须永久等待，因为在它所需要的资源中至少有一个已分配给其他进程。

5.3.3 无抢占

  不能抢占已分配的资源。为了确保这一条件不成立，可以采用如下协议：如果一个进程持有资源并申请另一个不能立即分配的资源(也就是说，这个进程应等待)，那么它现在分配的资源都可被抢占。
  换句话说，这些资源都被隐式释放了。被抢占资源添加到进程等待的资源列表上。只有当进程获得其原有资源和申请的新资源时，它才可以重新执行。
  换句话说，如果一个进程申请一些资源，那么首先检查它们是否可用。如果可用，那么就分配它们。如果不可用，那么检查这些资源是否已分配给等待额外资源的其他进程。如果是，那么从等待进程中抢占这些资源，并分配给申请进程。如果资源不可用且也不被其他等待进程持有，那么申请进程应等待。当一个进程处于等待时，如果其他进程申请其拥有资源，那么该进程的部分资源可以被抢占。只有当一个进程分配到申请的资源，并且恢复在等待时被抢占的资源时，它才能重新执行。这个协议通常用于状态可以保存和恢复的资源， 如CPU寄存器和内存。它一般不适用于其他资源，如互斥锁和信号量。

5.3.4 循环等待

  确保这个条件不成立的方法是：对所有资源类型进行完全排序，且要求每个进程按递增顺序来申请资源。

5.4 死锁恢复

  当检测算法确定已有死锁时，存在多种可选方案。一种可能是，通知操作员死锁已发生， 并且让操作员人工处理死锁。另一种可能是， 让系统从死锁状态中自动恢复(recover)过来。
  打破死锁有两个选择。一个是，简单地中止一个或多个进程来打破循环等待。另一个是，从一个或多个死锁进程那里抢占一个或多个资源。