【操作系统】死锁

1 死锁的基本概念

1.1 死锁的定义

一组进程中，每个进程都无限等待被该组进程中的另一进程所占有的资源，因而永远无法得到资源，这种现象称为进程死锁，这一组进程就称为死锁进程。死锁会导致大量资源浪费。

1.2 死锁出现的原因

资源数量有限，锁和信号量错误使用。
可重用资源：可被多个进程多次使用
可消耗资源：只可使用一次、可创建和销毁的资源

1.3 活锁和饥饿

活锁：先加锁再轮询，既无进展也没有阻塞；
饥饿：资源分配策略导致

1.4 产生死锁的必要条件

互斥使用（资源独占）：一个资源每次只能给一个进程使用
占有且等待（请求和保持）：进程在申请新的资源的同时保持对原有资源的占有
不可抢占：资源申请者不能强行的从资源占有者手中夺取资源，资源只能由占有者自愿释放
循环等待：存在一个进程等待队列P1,P2,…Pn，其中P1等待P2占有的资源，P2等待P3占有的资源，…，Pn等待P1的资源，形成一个等待环路。

2 资源分配图

2.1 定义

资源分配图（Resource Allocation Graph，RAG），是用有向图描述系统资源和进程的状态。
二元组G=(V,E)。V：结点的集合，分为P（进程），R（资源）两部分，
P={P1,P2,…,Pm}
R={R1,R2,…,Rn}
E：有向边的集合，其元素为有序二元组，
（Pi,Rj）或（Rj,Pi）

2.2 资源分配图的画法

系统由若干类资源构成，一类资源称为一个资源类；每个资源类中包含若干个同种资源，称为资源实例。
资源类：用方框表示
资源实例：用方框中的黑圆点表示
进程：用圆圈中加进程名表示
分配边：资源实例—>进程
申请边：进程—>资源类，如下图所示：

2.3 死锁定理

如果资源分配图中没有环路，则系统中没有死锁，如果图中存在环路则系统中可能存在死锁。
如果每个资源类中只包含一个资源实例，则环路是死锁存在的充分必要条件。

2.4 资源分配图化简

步骤：
1、找一个非孤立且只有分配边的进程结点：去掉分配边，将其变为孤立结点
2、再把相应的资源分配给一个等待该资源的进程：即将该进程的申请边变为分配边。
重复1、2步。

3 死锁预防

3.1 解决死锁的方法

• 不考虑此问题（鸵鸟算法）
• 死锁预防：是一种静态策略，即设计合适资源分配算法不让死锁发生
• 死锁避免：是一种动态策略，即以不让死锁发生为目标，跟踪并评估资源动态分配过程，根据评估结果决策是否分配
• 死锁检测与解除

3.2 死锁预防（DeadLock Prevention）

定义：在设计系统时，通过确定资源分配算法，排除发生死锁的可能性
具体做法：破坏产生死锁的四个必要条件之一。

3.2.1 破坏“互斥使用”条件

资源转换技术：把独占资源转换成共享资源

3.2.2 破坏“请求和保持”条件

1 实现方案1：要求每个进程在运行前必须一次性申请它所要求的的所有资源。但是该方案资源利用率低，而且容易产生饥饿现象。
2 实现方案2：在允许进程动态申请资源的前提下规定，当一个进程在申请新的资源不能立即得到满足而变为等待状态之前，必须释放已占有的全部资源，若需要再重新申请。

3.2.3 破坏“不可抢占”条件

实现方案：当一个进程申请的资源被其他进程占用时，可以通过操作系统抢占这一资源（两个进程优先级不同）。该方案的局现性在于：适用于状态易于保存和恢复的资源。

3.2.4 破坏“循环等待”条件

通过定义资源类型的线性顺序实现。
实现方案：资源有序分配法，具体来说就是，把系统所有资源编号，进程在申请资源时必须严格按照资源编号的递增次序进行，否则操作系统不予分配。

4 死锁避免

4.1 定义

在系统运行过程中，对进程发出的每一个系统能够满足的资源申请进行动态检查，并根据检查结果决定是否分配资源，若分配后系统发生死锁或可能发生死锁，则不予分配。

安全状态：如果系统中存在一个由所有进程构成的安全序列P1,P2，…，Pn，则系统处于安全状态。

4.2 安全序列

一个进程序列{P1,P2,…Pn}是安全的，如果对于每一个进程Pi(1≤i≤n):
它以后还需要的资源量不超过系统当前剩余资源量与所有进程Pj(j<i)当前占有资源量之和，则成系统处于安全状态。安全状态一定没有死锁发生，不安全状态一定导致死锁。

4.3 一种典型的死锁避免算法——银行家算法

【操作系统】死锁避免之银行家算法

5 死锁检测与解除

5.1 死锁检测

允许死锁发生，但是操作系统会不断监视系统进展情况判断是否发生死锁；一旦发生死锁，将会解除死锁并以最小的代价恢复操作系统的运行。

检测时机：
1、当进程由于资源请求不满足而等待时检查死锁，缺点是系统开销大
2、定时检测
3、系统资源利用率下降时检测死锁

5.2 死锁解除

死锁解除最核心的是以最小的代价恢复系统的运行。有如下方法：

• 撤销所有死锁进程
• 进程回退（Rollback）再启动
• 按照某一原则逐一撤销死锁进程，直到死锁解除
• 按照某种原则逐一抢占资源（资源被抢占的进程必须回退到之前的对应状态），直到死锁解除