第5章 死锁

Posted 2021-11-10 可能自洽

第5章 死锁

一、死锁的概念

1.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，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

2.死锁、饥饿、死循环的区别

2.1 共同点

都是进程无法顺利向前推进的现象(故意设计的死循环除外)

2.2 区别

死锁一定是“循环等待对方手里的资源”导致的，因此如果有死锁现象，那至少有两个或两个以上的进程同时发生死锁。另外，发生死锁的进程一定处于阻塞态
可能只有一个进程发生饥饿。发生饥饿的进程既可能是阻塞态(如长期得不到需要的I/O设备)，也可能是就绪态(长期得不到处理机)
可能只有一个进程发生死循环。死循环的进程可以上处理机运行（可以是运行态），只不过无法像期待的那样顺利推进。死锁和饥饿问题是由于操作系统分配资源的策略不合理导致的，而死循环是由代码逻辑的错误导致的。死锁和饥饿是管理者（操作系统）的问题，死循环是被管理者的问题

3.死锁产生的必要条件

产生死锁必须同时满足一下四个条件，只要其中任一条件不成立，死锁就不会发生。

3.1 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）

3.2 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

3.3 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

3.4 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
注意，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（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。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

4.什么时候会发生死锁

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。(可以把互斥信号量、同步信号量也看做是一种抽象的系统资源)
总之，对不可剥夺资源的不合理分配，可能导致死锁

二、死锁的处理策略

1.预防死锁（破坏死锁产生的四个必要条件中的一个或几个）

1.1 破坏互斥条件

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。
如果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。比如:SPOOLing技术。操作系统可以采用SPoOLing 技术把独占设备在逻辑上改造成共享设备。比如，用SPooLing技术将打印机改造为共享设备…

该策略的缺点:并不是所有的资源都可以改造成可共享使用的资源。并且为了系统安全，很多地方还必须保护这种互斥性。因此，很多时候都无法破坏互斥条件

1.2 破坏不剥夺条件

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。破坏不剥夺条件:
方案一:当某个进程请求新的资源得不到满足时，它必须立即释放保持的所有资源，待以后需要时再重新申请。也就是说，即使某些资源尚未使用完，也需要主动释放，从而破坏了不可剥夺条件。
方案二:当某个进程需要的资源被其他进程所占有的时候，可以由操作系统协助，将想要的资源强行剥夺。这种方式一般需要考虑各进程的优先级（比如:剥夺调度方式，就是将处理机资源强行剥夺给优先级更高的进程使用)
该策略的缺点:
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。因此这种方法一般只适用于易保存和恢复状态的资源，如CPU。
反复地申请和释放资源会增加系统开销，降低系统吞吐量。
若采用方案一，意味着只要暂时得不到某个资源，之前获得的那些资源就都需要放弃，以后再重新申请。如果一直发生这样的情况，就会导致进程饥饿。

1.3 破坏请求和保持条件

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。
可以采用静态分配方法，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。
该策略实现起来简单，但也有明显的缺点:
有些资源可能只需要用很短的时间，因此如果进程的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。

1.4 破坏循环等待条件

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。
可采用顺序资源分配法。首先给系统中的资源编号，规定每个进程必须按编号递增的顺序请求资源，同类资源（即编号相同的资源）一次申请完。
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。
该策略的缺点:
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.避免死锁（用某种方法防止系统进入不安全状态，从而避免死锁（银行家算法)）

2.1 系统安全状态

避免死锁的方法中，允许进程动态地申请资源，但系统在进行资源分配之前，应先计算此次资源分配的安全性。若此次分配不会导致系统进入不安全状态，则将资源分配给进程； 否则，让进程等待
所谓安全状态，是指系统能按某种进程推进顺序( P1, P2, …, Pn)，为每个进程Pi分配其所需资源，直至满足每个进程对资源的最大需求，使每个进程都可顺序地完成。此时称 P1, P2, …, Pn 为安全序列。如果系统无法找到一个安全序列，则称系统处于不安全状态

2.2 银行家算法

检查此次申请是否超过了之前声明的最大需求数

检查此时系统剩余的可用资源是否还能满足这次请求

试探着分配，更改各数据结构

用安全性算法检查此次分配是否会导致系统进入不安全状态

安全性算法步骤:
检查当前的剩余可用资源是否能满足某个进程的最大需求，如果可以，就把该进程加入安全序列,并把该进程持有的资源全部回收。
不断重复上述过程，看最终是否能让所有进程都加入安全序列。

3.死锁的检测和解除

允许死锁的发生，不过操作系统会负责检测出死锁的发生，然后采取某种措施解除死锁

3.1 如何检测

数据结构︰资源分配图

两种结点：进程结点，资源结点
两种边：进程结点—>资源结点（请求边)，资源节点—>进程结点（分配边)

死锁检测算法

依次消除与不阻塞进程相连的边，直到无边可消
注:所谓不阻塞进程是指其申请的资源数还足够的进程
死锁定理:若资源分配图是不可完全简化的，说明发生了死锁

3.2 如何解除

资源剥夺法
撤销进程法(终止进程法)
进程回退法