操作系统-死锁

死锁

死锁的基本概念

死锁：指多个进程在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局，当进程处于这种僵局状态时，若无外力作用，它们都将无法再向前推进

死锁产生的原因：

1. 资源竞争（可剥夺资源和不可剥夺资源->死锁）

2. 进程推进顺序不当

产生死锁的必要条件

资源分配图

资源分配图（Resource Allocation Graph）是描述死锁问题的常用工具，在很多问题的求解中都有应用。

死锁产生的必要条件

一旦死锁出现，这4个条件都必然成立。因此，只要有一个必要条件被系统或用户破坏掉，就不会出现死锁现象

特别注意：环路等待条件只是死锁产生的必要条件，而不是等价定义（充要条件）（死锁 => 四种必要条件 四种必要条件成立 ×=> 死锁 ）

1. 互斥条件(存在资源的互斥使用)

2. 请求和保持条件(进程对其他资源进行申请，但是没有得到满足，但此时此进程所占有的资源也没有释放，于是申请和保持都存在)

3. 不剥夺条件(进程在没有获得资源之前不能被其他进程切换掉)

4. 环路等待条件(隐含着前三个条件，存在一种进程资源的循环等待链)

死锁一旦产生则死锁进程间必存在循环等待环，但存在循环等待环不一定产生死锁

死锁的处理

死锁的静态预防

破坏互斥条件

通过事先破坏死锁产生的四个必要条件中的一个或多个，从而预防死锁的发生。

但临界资源本身的性质决定对其的访问必须以互斥的方式，否则无法保证正确性。

不可行

破坏请求和保持条件

预分配资源方法：进程运行前，系统一次性地分配其运行所需的所有资源， 而不是随着进程的推进而陆续（动态）分配。预分配资源方法在实现上还有一个很大的缺陷，即系统无法在进程执行前精确估计其所需的全部资源。

另一种方法是：系统在进程执行前并不把其所需的所有资源分配给它， 而是边执行边申请资源，进程在申请新资源失败后，需要释放已 经占用的所有资源。

局限性：临界资源在没有使用完之前不能随意释放

破坏不可剥夺条件

这种方式仅仅对于那些状态容易保存和恢复的资源具有实际的意义

破坏环路等待条件

环路等待出现的根本原因是并发执行进程请求资源的顺序是随机的。一个进程先申请资源A再申请资源B， 另一个进程先申请资源B再申请资源A。

如果系统事先把全部资源按类型进行线性排队，并对每类资源赋予不同的序号，然后按序进行分配，规定进程已经申请了一类资源，则以后再申请资源，只能申请比之前申请到的资源序号高的资源。

不足：用户在编程时要牢记系统中所有资源的编号。

死锁的动态避免

死锁的避免对进程申请资源不做任何限制，允许进程动态（运行期间）地申请资源。

在死锁避免方式中，系统被定义为安全状态和不安全状态：

1. 如果资源被假设分配给进程，系统处于安全状态，资源允许被分配给进程

2. 如果资源被假设分配给进程，系统处于不安全状态，则申请被拒绝。

安全状态：所谓安全状态是指操作系统能够按照某种进程执行序列，如<P1,P2...Pn>，为进程分配所需资源，使得每个进程都能执行完毕，此时我们称系统处于安全状态

安全序列：进程执行<P1,P2...Pn>序列为当前系统的一个安全序列.

不安全状态:操作系统无法找到这样一个安全序列，则称当前系统处于不安全状态。

处于不安全状态的系统不一定形成死锁.因为进行的安全性检测是在部分进程之间进行的，其它的进程可能会释放资源，从而不会发生死锁

银行家算法

基本想法:在资源分配前，资源分配程序计算（假设）资源配后系统是否处于安全状态，如处于安全状态则把资源真正地分配给申请进程；

银行家算法的核心理念:是把资源分配给那些最容易执行完成的进程，保证系统中各个进程最终都能正常完成。

数据结构：

1. 当前可分配的空闲资源向量Available(1:m)。m是系统中的资源类型数。Available[i]表示系统中现有的i类可用资源数量。

2. 最大需求矩阵Max（1:n,1:m）。n是系统中的并发执行进程数。Max[i,j]表示进程i对j类资源的最大需求量。

3. 资源分配矩阵Allocation（1:n,1:m）。Allocation[i,j]表示进程i已占有的j类资源的数量。

4. 需求矩阵Need（1:n,1:m）。Need[i,j]表示进程i还需申请j类资源的数量。 Need[i,j] = Max[i,j] - Allocation[i,j]

算法过程：

进程Pi申请资源，用Request_i [j]来表示进程i向系统申请k个j类资源

1. 如果Request_i [j] + Allocation[i,j] ≤ Max[i,j]成立，转向步骤2；如不成立，则说明进程的j类资源申请超过了其最大需求量，报错中断返回

2. 如果Request_i [j] ≤ Available[i,j]成立，转向步骤3；如不成立，则说明系统中现有的j类资源不能满足进程Pi的资源申请。该请求不能满足，进程Pi被阻塞，结束算法返回。

3. 系统试探着把资源分配给进程Pi，并修改下面数据结构中的值:

   1. Available[j] -= Request_i[j];

   2. Allocation[i] [j] += Request_i[j];

   3. Need[i] [j] -= Request_i[j];

4. 调用系统安全性检查算法，检查此次资源分配后系统是否处于安全状态。若安全，满足进程Pi的资源申请；否则，将本次试探分配作废，恢复原来资源分配状态，不响应进程Pi的资源申请， Pi阻塞等待

安全状态检查算法

数据结构：

1. 工作向量Work[1:m]：它表示系统可提供给进程继续运行所需的各类资源数目，它含有m个元素， 表示系统中的资源类型数。Work = Available

2. 布尔型向量Finish[1:n]：它表示系统是否有足够的资源分配给各个进程，使之运行完成。Finish[i] = false，当有足够的资源分配时Finish[i] = true;

过程：

1. 初始化Work与Finish数组

2. 从进程集合中寻找一个能满足下述条件的进程：Finish[i] = false && Need[i] [j] < Work[j];

3. 当进程Pi获得资源后，可顺利执行，直 至完成，并释放资源，故应执行 Work[j] += Allocation[i] [j]; Finish[j] = true;

4. 返回步骤二进行下一个安全状态序列的下一个进程

5. 如果所有进程的Finish[i]=true 都满足，说明所有进程都已经出现在安全序列中，表明当前系统处于安全状态