操作系统之死锁

概念

1. 死锁的定义

• 相互等待资源：死锁是指多个进程在执行过程中，由于互相等待对方所持有的资源，结果导致这些进程都处于阻塞状态，无法继续推进。这种情况使得系统中的所有相关进程都无法正常完成其任务。
• 饥饿：与死锁不同，饥饿是指一个进程由于长期无法获得所需要的资源而不能推进。一个典型的例子是短进程优先（SPF）调度算法中，如果有源源不断的新短进程到来，原本等待的长进程可能会一直得不到处理机，从而陷入“饥饿”状态。

原因

1. 资源竞争

• 资源争用：多个进程同时请求使用同一资源，而资源数量有限，导致进程之间因争取资源而发生竞争。
• 进程调度的非法顺序：如果进程在执行过程中，以错误的顺序请求资源，可能会导致死锁。例如，进程A请求资源X，然后请求资源Y；而进程B请求资源Y，然后请求资源X。当两个进程按照这种顺序同时请求时，可能导致死锁。
• 信号量的不当使用：错误地使用信号量（如semaphore）、互斥锁或条件变量等同步机制也可能导致死锁。例如，使用信号量时不恰当的顺序或条件，会导致进程互相等待对方的信号量。

产生的必要条件

1. 互斥条件

• 资源互斥使用：指某些资源在某一时刻只能被一个进程使用。只有对这种互斥使用的资源（如打印机、文件锁等）的争抢才会导致死锁。

2. 不剥夺条件

• 不可抢占资源：进程所获得的资源在未使用完毕之前，不能被其他进程强行夺走，只能由持有资源的进程主动释放。

3. 请求并保持条件

• 持有资源请求更多：进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其他进程占有，此时该请求进程被阻塞，但对自己已有的资源保持不放。

4. 循环等待条件

• 资源循环依赖：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被下一个进程所请求。在这种条件下，形成了一个循环依赖的链条，使得每一个进程都无法获取到所需的资源，从而形成死锁。

处理策略

1. 死锁预防

• 目的：通过破坏产生死锁的必要条件来预防死锁的发生。
• 具体策略：
  • 破坏互斥条件：理论上不可行，因为对某些资源进行互斥使用是必须的。
  • 破坏不剥夺条件：当某个进程请求新的资源无法满足时，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。这种方法只适用于易于保存和恢复状态的资源，如CPU。
  • 破坏请求并保持条件：采用静态资源分配方法，即进程在运行前一次性申请所有所需资源。这种方法资源利用率低，且可能导致进程饥饿。
  • 破坏循环等待条件：采用顺序资源分配法，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。这种方法简单，但也可能导致资源利用率低下。

2. 死锁避免

• 目的：避免系统进入不安全状态，从而避免死锁。
• 系统安全状态：
  • 安全序列：定义为系统按这种序列分配资源，则每个进程都能顺利完成。
  • 安全状态的属性：如果系统处于安全状态，就一定不会发生死锁；而不安全状态未必一定发生死锁，但发生死锁时一定处于不安全状态。
• 银行家算法：
  • 核心思想：在进程提出资源申请时，预判此次分配是否会导致系统进入不安全状态。若会进入不安全状态，就暂时不答应请求，让该进程先阻塞；若不会，则正式分配。
  • 安全性算法：是银行家算法的一部分，主要用于判断满足当前要求后，系统是否处于安全状态。
  • 具体步骤：
    • 1. 检查此次申请是否超过了之前声明的最大需求数。
    • 1. 检查此时系统剩余的可用资源是否还能满足这次请求。
    • 1. 试探性分配，更新数据结构。
    • 1. 使用安全性算法检查当前分配是否会导致系统进入不安全状态，若安全则正式分配；否则，恢复相应数据，让进程阻塞等待。

3. 死锁的检测与解除

• 目的：允许死锁发生，系统检测出死锁后，采取措施解除死锁。
• 死锁检测：
  • 死锁定理：如果某个时刻系统的资源分配图是不可完全简化的，则系统发生了死锁。
  • 资源分配图：一种描述系统中资源和进程之间请求关系的图。
  • 死锁检测算法：通过化简资源分配图，确定哪些进程处于死锁状态。
• 死锁解除：
  • 资源剥夺法：挂起某些死锁进程，并抢占它们的资源，将这些资源分配给其他进程，但应防止被挂起的进程长期得不到资源。
  • 撤销进程法：强制撤销部分、甚至全部处在死锁状态的进程，释放这些进程持有的资源。
  • 进程回退法：让一个或多个进程回退到足以避免死锁的地步，进程回退时自愿释放资源，而不是被剥夺。该方法需记录历史信息，设置还原点。