操作系统学习笔记6--死锁

1.死锁产生

1.1系统资源模型

多进程死锁：多进程中，等待进程所申请的资源被其他等待进程持有，那么该等待进程有可能永远都无法改变状态。

资源分类：资源类型有很多，如cpu周期，文件，IO设备等。

资源实例：资源类型的一个实体，如系统具有两个cpu，那么cpu资源就有两个实例。

相同实例：如果进程请求某个类型的资源实例，而分配任意一个该资源类型的实例都能满足要求，称这些实例是相同的。否则这些实例就不相同，如打印机A和打印机B在不同地点，如果只是申请打印文件而不关心打印机的位置，那么这两个资源实例是相同的，而如果关心打印机的位置，那么地点就很重要，而这两台打印机就不是相同的资源实例。

同步工具：如互斥锁，信号量等，也应作为系统资源，它们是常见的死锁源。

进程在使用资源前要申请，使用完资源后要释放资源，一个进程可能要申请许多资源，但是申请的资源不能超过系统提供资源的总和。

使用资源的顺序：

1.申请：进程申请使用资源，如果申请不能被立即执行，那么申请进程应等待，直到它获得申请的资源。

2.使用：进程使用资源进行操作。

3.释放：进程释放资源。

1.2 死锁特征

死锁产生的必要条件：（同时成立则引起死锁）

1.互斥：至少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该资源。

2.占有并等待：一个进程至少占有一个资源并处于等待其他资源，而其他资源被其他进程占有。

3. 非抢占：资源不能被抢占。只要资源被一个进程获得，那么直到它将一直拥有该资源直到它主动释放该资源。

4.循环等待：一组资源中，占有并等待资源形成循环，如p1占有资源r1等待资源r2而p2占有r2，等待r3，r3占有r3等待r1，如此形成占有并等待的循环。循环等待与占有并等待不独立。

1.3 资源分配图

用有向图的方式描述系统的资源分配。节点分为进程节点Pi和资源节点Ri。进程节点向资源节点的边称为申请边，意为进程Pi申请资源Ri，资源节点向进程节点的边称为分配边，意为资源Ri已经分配给进程Pi。当申请被允许时，申请边转换为分配边，当资源被释放时，分配边从图中删除。

如果图中没有环，那么进程一定不存在死锁。如果图中有环，那么可能产生死锁。图中有环产生死锁的条件是，环中的每个资源只有一个实例。因此资源分配图中有环，是死锁的必要条件。

如果图中每个资源只有一个实例，图中又有环，那么一定产生死锁。同理，如果图中有环，环中的每个资源只有一个实例，也必然产生死锁。

1.4 死锁处理方法

死锁处理方法主要分为：

1. 通过协议来预防或避免死锁，确保系统不会进入死锁状态。

2. 运行系统进入死锁状态， 但是检测死锁，并恢复。

3. 忽视这个问题，认为系统中不可能发生死锁。应用程序的开发者需要自己编写程序，来处理死锁问题。大多数操作系统都采用第三种方法。

死锁预防：方法保证死锁产生的必要条件中至少有一个不成立，这样死锁就不会产生。

死锁避免：操作系统事先得到进程申请资源和获取资源的额外信息，这样，系统在保证不会产生死锁的前提下，确定进程是否应该等待。

死锁恢复：系统提供算法来检测死锁，并进行恢复。

死锁处理的经济性：如果死锁出现不频繁，甚至一年出现一次，那么增加大量的代码来进行死锁处理是不经济的，这种情况下应该允许死锁的出现，并且不进行检测和恢复，而是让人工来重启系统等操作。

1.5 死锁预防

死锁产生必须同时满足四个条件，因此只要其中一个条件被破坏，那么死锁就不会出现。死锁预防因此也分为四种：

1.互斥：破坏互斥条件，如共享只读文件，多个进程同时打开一个只读文件，那么他们可以同时访问，而不需要等待资源。但是改变互斥条件不能解决所有的死锁问题，因为有的资源本身就是非共享的，如互斥锁。

2.持有且等待：破坏持有且等待条件，保证一个进程在等待其他资源时，不能占有资源。因此一种协议是，只有当进程可以获得所有申请的资源时，才一次性分配给它所需的资源。另一种协议是，进程只有在没有持有资源时，才可以申请资源。

破坏持有且等待的缺点：1.资源利用率比较低，许多资源可能已分配，但是长时间没有被使用，如果进程所需的资源中，其中一个非常耗时，那么剩余的资源被分配给这个进程，却一直没有被使用。2.可能发生饥饿。一个进程如果需要很多资源，而其中一项已分配给其他进程，那么它将必须等待。

3.非抢占：破坏非抢占条件。将非抢占修改为：如果一个进程申请的资源不可用，在它等待该资源时，它所持有的资源都可以被其他进程抢占。

4.循环等待条件：破坏循环等待条件。对所有资源进行排序，要求每个进程按照递增顺序来申请资源。将资源类型映射到整数，Ri->N，如果要申请多个不同类型资源，那么必须按照N递增的顺序来申请。如磁带驱动器为3，打印机为5。如果一个进程需要申请这两个资源，那么它必须先申请磁带驱动器，再申请打印机。另外，进程申请资源Ri时，它必须先释放所有的资源Rj（F(Rj)>F(Ri)），即释放所有比申请资源的映射数字大的资源。如果要申请同一个资源的多个实例，那么必须同时申请。

1.6 死锁避免

死锁避免不破坏死锁产生的必要条件，而是通过其他额外信息，即如何申请资源，来避免死锁的产生。如要求进程声明可能需要的每种类型资源的最大数量，设计死锁避免算法。死锁避免算法动态检测资源分配状态，以确保循环等待条件不会成立。资源分配状态包括：可用的资源，已分配的资源及进程的最大要求。

实现死锁避免的算法有：安全状态算法，银行家算法，

1.6.1 安全状态算法

如果系统能按一定顺序为进分配资源，却仍然避免死锁，那么系统是安全的。即只有存在一个安全序列，系统才是安全的。算法在每次分配资源时，检查是否存在安全序列，如果存在，那么进程等待。这种方法会降低资源使用率。

安全序列：进程序列{Pi}是安全序列是指，对于每个进程Pi，Pi可以申请的资源+所有其他进程Pj所占有的资源之和小于系统最大资源。

如果系统每个类型的资源都只有一个实例，那么就可以使用资源分配图的形式来判断是否发生死锁。如果每个类型的资源有超过一个实例，那么可以用资源分配图判断安全状态。在资源分配图中，如果系统允许进程的资源申请，那么资源申请边将会变成资源分配边。如果一个资源申请边变为资源分配边后，资源分配图中有环，那么说明给进程分配该资源会让系统进入非安全状态，此时不应给进程分配资源，而应让进程等待。

1.6.2 银行家算法

当一个进程进入系统时，它声明可能需要的每种类型资源实例的最大数目，这一数目不能超过系统资源总和。当用户申请一组资源时，系统检查这些资源分配后，系统是否仍处于安全状态，如果会，就分配资源，否则进程必须等待，直到分配后系统仍处于安全状态。

1.7 死锁检测

如果每中类型资源只有一个实例，那么可以使用资源分配图的一个变形，称为等待图来检测死锁。应用死锁检测的时机取决于：死锁发生的频率和死锁发生时有多少进程受影响。

1.8 死锁恢复

当检测到死锁发生后，有两种选择，一是通知操作员，手动处理死锁。二是让系统从死锁中自动恢复。打破死锁有两种选择：简单的终止一个或多个进程或是从一个多个死锁进程那里抢占资源。

进程终止有两种方法：

1. 终止所有死锁进程。

2. 一次终止一个死锁进程，直到死锁消失。

通过资源抢占要确定：

1.选择牺牲进程：应确定可抢占资源所在的进程，根据进程的重要程度来确定资源是否可被抢占。

2.回滚：被抢占资源的进程无法继续执行下去，因此需要回滚到之前的某个状态，以便死锁消除后，从这个状态继续执行。

3.饥饿：可抢占会带来饥饿问题。

 

 

 

 

 

 

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