死锁小结

资源的分类

        计算机系统中的资源分为两类：可抢占的和不可抢占的。

        可抢占资源可以从拥有它的进程中抢占而不会产生任何副作用，例如存储器就是一类可抢占的资源；不可抢占资源是指在不引起相关的计算失败的情况下，无法把它从占有它的进程处抢占过来，例如一个进程已开始刻盘，突然将CD刻录机分配给另一个进程，那么将划坏CD盘，在任何时刻CD刻录机都是不可抢占的。

        总的来说，死锁和不可抢占资源有关。

死锁概述

        一. 死锁定义

        如果一个进程集合中的每个进程都在等待只能由该进程集合中的其他进程才能引发的事件，那么该进程集合就是死锁的。

        二. 资源死锁

        在大多数情况下，每个进程所等待的事件是释放该进程集合中的其他进程已经占有的资源。换言之，这个死锁进程集合中的每一个进程都在等待另一个死锁的进程已经占有的资源。但是由于所有进程都不能运行，它们中的任何一个都无法释放资源，所以没有一个进程可以被唤醒。这种死锁称为资源死锁。

        三. 资源死锁的四个必要条件

• 互斥条件：每个资源要么已经分配给了一个进程，要么就是可用的
• 占有并等待条件：已经得到了某个资源的进程可以再请求新的资源
• 不可抢占条件：已经分配给一个进程的资源不能强制性地被抢占，它只能被占有它的进程显式地释放。
• 环路等待条件：死锁发生时，系统中一定有由两个或两个以上的进程组成的一条环路，该环路中的每个进程都在等待着下一个进程所占有的资源

        死锁发生时，以上四个条件是同时满足的。如果任何一个条件不成立，死锁就不会发生。

        

死锁建模

        死锁建模可利用有向图实现。在有向图中有两个节点：用圆形标识的进程，用方形表示的资源。从资源节点到进程节点的有向边代表该资源已被请求、授权并被进程占用。

        假设有三个进程（A、B、C）及三个资源（R、S、T）。下图展示了三个进程对资源的请求和释放及呈现的结果：

            

        

死锁处理

        有四种处理死锁的策略：

• 采用鸵鸟算法：最简单的解决方法是鸵鸟算法，把头埋到沙子里，假装根本没有问题发生。
• 检测死锁并恢复：让死锁发生，检测它们是否发生，一旦发生死锁，采取行动解决问题。
• 仔细对资源进行分配：通过仔细地对资源进行分配，动态地避免死锁
• 从源头处预防死锁产生：通过破坏引起死锁的四个必要条件之一，从源头处防止死锁产生

        下面来具体讨论这四种策略。

鸵鸟算法

        每个人对该方法的看法都不同。但大多数人都会以处理死锁的代价/回报比做出理性选择。

死锁检测&恢复

        一. 死锁检测

        1. 每种类型一个资源的死锁检测

        构建资源分配图，采用深度优先遍历算法确定是否存在环路。这种算法是依次将每一个节点作为一棵树的根节点，并进行深度优先搜索，如果再次碰到已经遇到过的节点，那么就算找到了一个环。如果从任何给定的节点出发的弧都被穷举了，那么就回溯到前面的节点。如果回溯到根并且不能再深入下去，那么从当前节点出发的子图中就不包含任何环。如果所有的节点都是如此，那么整个图就不存在环也就是说系统不存在死锁。

        2. 每种类型多个资源的死锁检测

        构建向量矩阵，利用向量矩阵算法模拟资源分配。这种算法的第一步是寻找可以运行完毕的进程，该进程的特点是它有资源请求并且该请求可被当前的可用资源满足。这一选中的进程随后就被运行完毕，在这段时间内它释放自己持有的所有资源并将它们返回到可用资源库中。然后这一进程被标记为完成。如果所有的进程最终都能运行完毕的话，就不存在死锁的情况。

        二. 死锁恢复

        1. 利用抢占恢复

        在某些情况下，可能会临时将某个资源从它的当前所有者那里转移到另一个进程。这种做法是否可行主要取决于该资源本身的特性（可抢占、不可抢占）。用这种方法恢复通常比较困难或者说不可能。若选择挂起某个进程，则在很大程度上取决于哪一个进程拥有比较容易回收的资源。

        2. 利用回滚恢复

        这种方法可以在死锁发生时将进程复位到一个更早的状态，那时它还没有取得所需的资源，接着就把这个资源分配个一个死锁进程。如果复位后的进程试图重新获得对该资源的控制，它就必须一直等到该资源可用时为止。

        3. 通过杀死进程恢复

        有可能的话，最好杀死可以从头开始重新运行而且不会带来副作用的进程。

死锁避免

        是否存在一种算法总能做出正确的选择从而避免死锁呢？答案是肯定的，但条件是事先要获得一些特定的信息。但从本质上来说，死锁避免是不可能的，因为它需要获知未来的请求，而这些请求时不可知的。

        一. 利用资源轨迹图

        如下图所示，我们看到一个处理两个进程和两种资源的模型。横轴表示进程A执行的命令，纵轴表示进程B执行的命令。进程A在I1处请求一台打印机，在I3处释放，在I2处请求一台绘图仪，在I4处释放。进程B在I5到I7之间需要绘图仪，在I6到I8之间需要打印机。

        两个进程交替执行，一旦系统进入由I1、I2和I5、I6组成的矩形区域，那么最后一定会到达I2和I6的交叉点，因为进程的执行不可能后退，进程的运动方向只可能是向上或向右，这时就会产生死锁。

        

        二. 利用银行家算法

        考虑这样一个系统，有5个进程P0 ~ P4，3种资源类型A、B、C。资源类型A有10个实例，资源类型B有5个实例，资源类型C有7个实例，假定在时刻T0，系统状态如下：

        

• Allocation：定义每个进程现在所分配的各种资源类型的实例数量
• Max：定义每个进程的最大需求
• Available：定义每种资源类型仅存的实例数量
• Need：定义每个进程还需要的剩余的资源

        这样，在假定进程P1再请求1个资源类型A和2个资源类型C，这样Request=(1，0，2)，为了确定这个请求是否可以立即允许，首先检测Request<= Available，即(1，0，2) <= (3，3，2)，其值为真，接着这个假定请求被满足，就会产生如下新状态：

        

        如此，每次请求都在安全范围内，直到完成所有请求，便是银行家算法的大概思路。

死锁预防

        通过破坏引起死锁的四个必要条件之一，从源头处防止死锁产生。

        一. 破坏互斥条件：

        就是在系统里取消互斥。若资源不被一个进程独占使用，那么死锁是肯定不会发生的。但一般来说在所列的四个条件中，“互斥”条件是无法破坏的。因此，在死锁预防里主要是破坏其他几个必要条件，而不去涉及破坏“互斥”条件。

        二. 破坏占有并等待条件：

        破坏“占有并等待”条件，就是在系统中不允许进程在已获得某种资源的情况下，申请其他资源。即要想出一个办法，阻止进程在持有资源的同时申请其他资源。有两种方法：

        （1）创建进程时，要求它申请所需的全部资源，系统或满足其所有要求，或什么也不给它。这是所谓的 “ 一次性分配”方案。

• 存在问题：很多进程知道运行时才知道它需要多少资源；这种方法的资源利用率不是最优的。

        （2）要求当一个进程请求资源时，先暂时放弃其当前占用的所有资源，然后再尝试一次获得所需的全部资源。        

        

        三. 破坏不可抢占条件：

        破坏“不可抢占”条件就是允许对资源实行抢夺。有两种方法：

        （1）如果占有某些资源的一个进程进行进一步资源请求被拒绝，则该进程必须释放它最初占有的资源，如果有必要，可再次请求这些资源和另外的资源。

        （2）如果一个进程请求当前被另一个进程占有的一个资源，则操作系统可以抢占另一个进程，要求它释放资源。只有在任意两个进程的优先级都不相同的条件下，这个才能预防死锁。

        

        四. 破坏环路等待条件：

        破坏“循环等待”条件的一种方法，是将系统中的所有资源统一编号，进程可在任何时刻提出资源申请，但所有申请必须按照资源的编号顺序（升序）提出。这样做就能保证系统不出现环路，也就避免了死锁。例如：

        有两个进程A和B，两个资源i和j，假定A已经获得了i，B已经获得了j，只有在A请求j而B请求i的情况下才会产生死锁。假定i和j是不同的资源，它们会具有不同的编号。若i>j，那么A不允许请求j，因为这个编号小于A已有资源的编号；若i<j，那么B不允许请求i，因为这个编号小于B已有资源的编号。不论哪种情况下都不可能产生死锁。并且对于多于两个进程的情况，同样的逻辑依然成立。