操作系统——死锁

整理自《操作系统概念》第九版

死锁概念

当一组进程中的每个进程都在等待一个事件，而这一事件只能由这一组进程的另一进程引起，那么这组进程就处于死锁状态。这里所关心的主要事件是资源获取和释放。资源可能是物理资源或逻辑资源。

死锁特征

死锁发生的必要条件（四个条件同时成立）：

1. 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以使用。如果另一进程申请该资源，那么申请进程应该等到该资源释放为止
2. 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。
3. 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。
4. 循环等待（circular wait）：有一组等待进程如P0，P1,…Pn。P0等待的资源为P1占有，P1等待的资源为P2占有……

死锁的处理方法

• 通过协议来预防或避免死锁 ，确保系统不会进入死锁状态
• 允许系统进入死锁状态，检测并恢复
• 忽视这个问题，认为死锁不可能在系统内发生

死锁预防

打破死锁发生的四个必要条件。

互斥：多个进程同时打开只读文件，则可以同时访问文件，不需要等待共享资源。

持有且等待：1.每个进程在执行前申请所有的资源；2.允许进程仅在没有资源时才可以申请资源。缺点：资源利用率比较低，很多资源已经分配但长时间没有使用；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经分配给其他进程。

无抢占：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，那么它现在分配的资源都可以被抢占。通常用于状态可以保存和恢复的资源，如CPU寄存器和内存。一般不适用于其他资源，如互斥锁和信号量。

循环等待：对所有资源类型进行完全排序，而且要求每个进程按递增顺序来申请资源。

死锁避免

死锁预防的算法中，通过限制如何申请资源来预防死锁，但会导致设备的使用率低和系统吞吐率低。避免死锁的另一种方法需要额外信息，即如何申请资源。

在获悉每个进程的请求与释放的完整顺序之后，系统可以决定，在每次请求时进程是否应该等待以避免未来可能的死锁。针对每次申请的要求，系统在做决定时考虑现有可用资源、现已分配资源和将来申请释放的资源。

安全状态 如果系统能按一定顺序为每个进程分配资源，仍然避免死锁，那么系统的状态就是安全的。只有存在一个安全序列，系统才处于安全状态。

资源分配图算法

银行家算法

死锁检测

死锁检测分为每种资源类型有单个实例和多个实例两种情况。单个实例的条件下，我们可以定义一个死锁检测算法，使用等待图进行标注。从资源分配图中，删除所有资源类型节点，合并适当边即可得到等待图。对于多个实例，将银行家算法进行适当的修改，Need变量改为request，表示当前每个进程的每种资源的当前请求即可。

死锁恢复

可以通过进程终止和资源抢占来恢复死锁。

进程终止有两种方法：一是中止所有死锁进程，但代价巨大；二是一次中止一个进程，直到消除死锁循环位置，但开销巨大。

资源抢占则需要处理下列三个问题：一是选择哪些进程作为牺牲进程；二是回滚到某个安全状态，但难以确定什么是安全状态；三是尽量避免发生饥饿。