并发编程---死锁以及银行家算法

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什么是死锁？

死锁是指在多进程或多线程的环境中，多个进程或线程相互等待对方释放资源，导致它们永远不能继续执行下去的状态。具体而言，死锁发生时，涉及的进程/线程持有一些资源，并且在等待其他进程/线程所持有的资源，而这些资源又被其他进程/线程等待。

死锁的四个必要条件

• 互斥条件（Mutual Exclusion）：至少有一个资源必须处于非共享模式，即每次只能有一个进程/线程使用该资源。如果其他进程/线程请求该资源，请求者必须等待，直到资源被释放。
• 持有并等待条件（Hold and Wait）：至少有一个进程/线程在持有一个资源的同时，正在等待其他被其他进程/线程占用的资源。
• 不剥夺条件（No Preemption）：资源不能被强制剥夺，只能在进程/线程释放资源时才能被其他进程/线程获得。
• 循环等待条件（Circular Wait）：存在一种进程/线程的循环链，其中每个进程/线程都在等待下一个进程/线程持有的资源。

避免死锁的方法

资源分配图法：

• 通过构建资源分配图，实时监控资源分配情况，避免进入死锁状态。通过控制进程/线程的资源请求，避免出现循环等待的情况。

银行家算法：

• 银行家算法是一种避免死锁的动态资源分配算法，通过对资源请求进行审查，确保在资源分配前不会导致系统进入死锁状态。

请求资源时一次性分配：

• 进程/线程在开始时一次性请求所需的所有资源，而不是分阶段请求，避免持有部分资源而等待其他资源导致死锁。

避免循环等待：

• 可以对资源进行排序，并强制要求进程/线程按照一定顺序申请资源。如果进程/线程无法按顺序申请资源，则进行阻塞和回退，防止死锁的发生。

采用抢占式资源管理：

• 当进程/线程等待的资源无法获取时，可以将已占用的资源抢占，暂时中断进程/线程的执行，重新安排资源，避免死锁。

资源排序法：

• 对所有资源类型进行排序，进程/线程只能按顺序申请资源。如果一个进程/线程申请某种资源，必须遵守资源的顺序，避免形成循环等待。

银行家算法

银行家算法（Banker’s Algorithm）是由埃德斯特朗（Edsger Dijkstra）提出的一种动态资源分配算法，用于避免死锁。它的核心思想是：在每次资源分配时，模拟假设当前资源分配后的系统状态是否安全，如果是安全的，才分配资源，否则不分配。

银行家算法的工作原理：

1.系统资源状态的安全性检查： 银行家算法假设系统当前处于一个安全状态。每当一个进程请求资源时，系统会模拟资源分配后的状态，检查是否会进入不安全状态。若不安全，则拒绝该请求，避免进入死锁状态。

2.资源分配的三大主要数据结构：

• Available：系统中每种资源的剩余可用数量。

• Max：每个进程对每种资源的最大需求。

• Allocation：每个进程当前已分配到的资源数。

• Need：每个进程对每种资源还需的资源数，即 Need[i] = Max[i] - Allocation[i]。

3.安全性算法：

• 判断当前状态是否安全，首先通过“安全序列”进行判断。如果能够在某一顺序下，按照进程的需求逐一分配资源，使得所有进程都能完成其执行，并且最终释放所有资源，说明系统是安全的；否则，系统就是不安全的。

银行家算法的步骤：

1.初始化：

• 系统初始化时，计算并记录每个进程的最大需求和当前分配资源。

2.请求资源：

• 当进程请求资源时，系统检查请求是否合理。如果请求资源超过了进程的最大需求，或者请求超过了系统的可用资源，则直接拒绝请求。

3.安全性检查：

• 如果请求资源后，系统仍然处于安全状态（即可以找到一个执行序列，使得所有进程都能完成），则分配资源；否则，回滚请求。

举个例子：

假设有以下系统资源和进程的需求情况：

资源可用情况表

资源类型	可用资源
A	3
B	3
C	2

进程需求情况表

进程	最大需求	当前分配	需要资源
P0	(3, 2, 2)	(2, 1, 1)	(1, 1, 1)
P1	(2, 1, 1)	(1, 0, 0)	(1, 1, 1)
P2	(3, 3, 2)	(2, 1, 1)	(1, 2, 1)

在这种情况下，系统会在分配资源之前，检查是否存在安全的执行序列。如果资源分配可能导致死锁，银行家算法就会拒绝该请求。

总结

• 死锁是指多个进程或线程相互等待，无法继续执行。
• 避免死锁的方法包括资源分配图、银行家算法、一次性分配资源、避免循环等待等。
• 银行家算法通过检查资源请求后的系统状态是否安全来避免死锁，它模拟资源分配后的情况，确保系统始终处于安全状态。