Ch5_Deadlock

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Deadlock

(一) Def : Deadlock 意思是系統中存在一組 process 陷入互相等待對方所擁有的資源的情況(Circular Waiting)，造成所有的 process 無法往下執行，使得 CPU 利用度大幅降低，thoughput下降。
(二) Deadlock 發生須符合以下 4 項充要條件
- (1) Mutual exclusion：某些資源在同一個時間點最多只能被一個 process 使用
  - 例：大部分的 Resource 都是互斥使用 e.g. CPU,memory,I/O-device…
  - 例：Read-only File 不受互斥影響
- (2) Hold and wait：某 process 持有部分資源，並等待其他 process 正在持有的資源
- (3) No preemption：process 不可以任意強奪其他 process 所持有的資源
- (4) Circular waiting：系統中存在一組 processes P=P0,P1,…,Pn，其中 P0 等待 P1 所持有的資源 … Pn 等待 P0 所持有的資源，形成循環式等待。(因此，deadlock不會存在於single process環境中)
(三) 例子
- I. 系統面
- II. 日常生活面
(四) Deadlock v.s Starvation

Deadlock 處理方法

Deadlock 三種處理方法：

Deadlock prevention
Deadlock avoidance
Deadlock detection & recovery

prevention 和 avoidance

優點 : 保證系統不會進入 Deadlock
缺點 : 資源利用度低，且可能有 Starvation 問題

detection & recovery

優點 : 資源利用度較高
缺點 : recovery cost 極高，且可能進入 Deadlock State

1.Deadlock prevention

打破必要條件四項之一，即可保證 Deadlock 永不發生。

打破 Mutual exclusion：為資源與生俱來之性質，無法打破。
打破 Hold and wait：系統產能低。
- [法一] 規定 : 除非 proces 可以一次取得所有工作所需的資源，才允許持有資源。
- [法二] 規定 : process 執行之初可持有部分資源，但要再申請資源前，要先釋放手中所有資源。
打破 No Preemption : 改成 “Preemption” 即可，but 讓高優先 process 搶低優先 process 的資源，會造成 starvation。
打破 Circular waiting：Process須按照資源編號(unique resource ID)遞增(Ascending)方式申請資源。

2.Deadlock avoidance

當 process 提出資源申請時，OS 會執行Banker algorithm 來判斷系統在「假設核准該申請後」是否處於 Safe state，是則核准，否則請 process 等待。

safe state : 至少存在 ≧1組 safe sequence , O.S 按照 order 分配 Resource
unsafe state : 可能有 deadlock
Time Complexity : O(n^2*m) -> 耗時，耗成本

//假設有 n 個 process , m 種 resource
int Request[m]　    //Process申請量
int Available[m]    //系統目前各類資源的可用數量。(Available = 資源總量 - Allocation)
int Max[n,m]        //各 process 需要多少資源才可以完成工作。
int Allocation[n,m] //目前各 process 持有的資源量。
int Need[n,m]       //還要多少資源才可以完成工作。 (Need = Max - Allocation)

void Banker_Algo()
{
	if(Request_i <= Need_i)//檢查需求之合理性  O(m)
    {
	   if(Request_i < Available)//檢察系統可否負擔  O(m)
	    {
		   Allocation_i = Allocation_i + Request_i;  // O(m)
		   Need_i = Need_i -Request_i;
		   Available = Available - Request_i;
		   if(Safe()=="Safe") 
			  return "核准申請";
		   else if(Safe()=="Unsafe")
			  return "否決申請";
	    }
	   else 
		  Process_i wait until 系統資源足夠;
    }
    else
	  終止 Process_i;
}

int Work[m]    //系統目前可用的資源累計數量
bool Finish[n] //True:表Pi完工 ; False:Pi尚未完工
void Safe()
{
	while( Finish is not all TRUE )
	{
	   Work = Available;                //初始設定  O(m)
	   foreach(bool initial in Finish)  //初始設定  
	   {
		 initial = false;           //         O(n)
	   }
	   foreach (i in process set P)     //check finish O(n)
	   {
	      //最多檢查 process 數目 = n + (n-1) + ...+ 1 = n(n+1)/2
	      if(Finish[i] == false && Need_i <= Work[i]) // O(m)      
	       {
		     Finish[i] == true;
		     Work = Work + Allocation; //   O(m)
	             P = P - {i};
	       }
	   }
	   if (!Finish) return Unsafe;
	}
	return Safe;
}

3. Deadlock Detection & Recovery

Allow system to enter deadlock state
Recovery 方法

1.kill processes in Deadlock
- kill “all” 全部刪除
  ⇒ Cost 高 : processes 先前的工作成果全做白工 or process 數目太多
- kill “one” then detect again 一次刪一個 process，直到打破 deadlock
  ⇒ Cost 高 : loop 次數高 x detect cost
2.Resource Preemption 資源搶奪
- 挑選 victim process -> 剝奪其資源(可能造成 starvation) -> 恢復無該資源前狀態(cost 高)

Detection algorithm

Single instance : topological sort (using wait-for graph)
- 使用 adjcent matrix : O(n2)
- 使用 adjcent list : O(V+E)
Several instance : 用 Banker algorithm 判斷系統是否已經在 unsafe state

Resource allocation graph

Some facts about RAG :

If graph contains no cycles ⇒ no deadlock.
If graph contains a cycle
- one instance ⇔ deadlock.
- several instances, possibility of deadlock. ( deadlock ⇒ cycle )