操作系统常问面试问题 3 —— 死锁（deadlock）（产生的条件、死锁避免（银行家算法）、死锁检测）

死锁（deadlock）

1、定义

线程死锁是指由于两个或者多个线程互相持有对方所需要的资源，导致这些线程处于等待状态，无法前往执行。当线程进入对象的synchronized代码块时，便占有了资源，直到它退出该代码块或者调用wait方法，才释放资源，在此期间，其他线程将不能进入该代码块。当线程互相持有对方所需要的资源时，会互相等待对方释放资源，如果线程都不主动释放所占有的资源，将产生死锁。

2、产生的条件

• 1、互斥条件：进程对所分配到的资源不允许其他进程访问，若其他进程访问该资源，只能等待，直至占有该资源的进程使用完成后释放该资源；
• 2、请求和保持条件：进程获得一定的资源后，又对其他资源发出请求，但是该资源可能被其他进程占有，此时请求阻塞，但该进程不会释放自己已经占有的资源
• 3、不可剥夺条件：进程已获得的资源，在未完成使用之前，不可被剥夺，只能在使用后自己释放
• 4、环路等待条件：进程发生死锁后，必然存在一个进程-资源之间的环形链 ，环路中每个进程都在等待下一个进程所占有的资源

发生死锁时，上面的情况必须同时会发生。如果其中任意一个条件不会成立，死锁就不会发生。可以通过破坏其中任意一个条件来破坏死锁，下面这些破坏条件就是我们探讨的重点

3、死锁避免

• 1、破坏请求和等待条件。 所有的进程在开始运行之前，必须一次性地申请其在整个运行过程中所需要的全部资源
• 2、破坏不可抢占条件。当进程新的资源未得到满足时，释放已占有的资源
• 3、破坏环路等待条件。 系统给每类资源赋予一个序号，每个进程按编号递增的请求资源，释放则相反

3.1、银行家算法

1、问题：

一个银行家共有20亿财产
第一个开发商：已贷款15亿，资金紧张还需3亿。
第二个开发商：已贷款5亿，运转良好能收回。
第三个开发商：欲贷款18亿

在这种情况下，如果你是银行家，你怎么处理这种情况？一个常规的想法就是先等着第二个开发商把钱收回来，然后手里有了5个亿，再把3个亿贷款给第一个开发商，等第一个开发商收回来18个亿，然后再把钱贷款给第三个开发商。

这里面什么值得学习呢？最重要的就是眼光放长一点，不要只看着手里有多少钱，同时要注意到别人欠自己的钱怎么能收回来。

2、银行家算法的实现思想

允许进程动态地申请资源，系统在每次实施资源分配之前，先计算资源分配的安全性，若此次资源分配安全（即资源分配后，系统能按某种顺序来为每个进程分配其所需的资源，直至最大需求，使每个进程都可以顺利地完成），便将资源分配给进程，否则不分配资源，让进程等待。

3.1.1、实现过程

1、数据结构

• 1、 可利用资源向量Available。这是一个含有m个元素的数组，其中的而每一个元素代表一类可利用资源数目，其初始值是系统中所配置的该类全部可用资源的数目，其数值随该类资源的分配和回收而动态的改变。如果Available[j]=K,则表示系统中现有Rj类资源K个。

• 2、 最大需求矩阵Max。这是一个n*m的矩阵，它定义了系统中n个进程中的每一个进程对m类资源的最大需求。如果Max[i,j]=K；则表示进程i需要Rj类资源的最大数目为K。

• 3、 分配矩阵Allocation。这也是一个n*m的矩阵，它定义了系统中每一类资源当前已分配给每一进程的资源数。如果Allocation[i,j]=K，则表示进程i当前已分得Rj类资源的数目为K。

• 4、 需求矩阵Need。这也是一个n*m的矩阵，用以表示每一个进程尚需的各类资源数。如果Need[i,j]=K,则表示进程i还需要Rj类资源K个，方能完成任务。

  上述三个矩阵间存在下述关系：Need[i,j]=Max[i,j]-Allocation[i,j]

2、算法流程
设Request i是进程Pi的申请向量，如果Request i[j]=K,则表示进程Pi需要K个Rj类型的资源。当Pi发出资源请求后，系统按下述步骤进行检查：

1. 如果Request i[j]<=Need[i,j]，便转向步骤2）；否则认为出错，因为它所需要的资源数已经超过它所宣布的最大值。

2. 如果Request i[j]<=Available[i,j]，便转向步骤3）；否则，表示尚无足够资源，Pi需等待。

3. 系统试探着把资源分配给进程Pi，并修改下面数据结构中的数值：

   Available[j]:=Available[j]-Request i[j];
   
   Allocation[i,j]:=Allocation[i,j]+Request i[j];
   
   Need[i,j]:=Need[i,j]-Request i[j];
   

4. 系统执行安全性算法，检查此次资源分配后系统是否处于安全状态。若安全，才正式将资源分配给进程Pi，以完成本次分配；否则，将本次的试探分配作废，恢复原来的资源分配状态，让进程Pi等待。

4、死锁检测

1、每种类型一个资源的死锁检测
每种资源类型都有一个资源是什么意思？我们经常提到的打印机就是这样的，资源只有打印机，但是设
备都不会超过一个。

如果这张图包含了一个或一个以上的环，那么死锁就存在，处于这个环中任意一个进程都是死锁的进程。

2、每种类型多个资源的死锁检测
如果有多种相同的资源存在，就需要采用另一种方法来检测死锁。可以通过构造一个矩阵来检测从P1->Pn这n个进程中的死锁。

现在我们提供一种基于矩阵的算法来检测从P1到Pn这n个进程中的死锁。假设资源类型为m，E1代表资源类型1，E2表示资源类型2，Ei代表资源类型 i（1<= i <=m）。E表示的是现有资源向量（ existing resource vector），代表每种已存在的资源总数。

现在我们就需要构造两个数组:C表示的是当前分配矩阵（ current allocation matrix），R表示的是请求矩阵（ request matrix）。Ci表示的是P持有每一种类型资源的资源数。所以，Cj表示Pi持有资源j的数量。Rij表示Pi所需要获得的资源j的数量

一般来说，已分配资源j的数量加起来再和所有可供使用的资源数相加 = 该类资源的总数。

死锁的检测就是基于向量的比较。每个进程起初都是没有被标记过的，算法会开始对进程做标记，进程被标记后说明进程被执行了，不会进入死锁，当算法结束时，任何没有被标记过的进程都会被判定为死锁进程。

上面我们探讨了两种检测死锁的方式，那么现在你知道怎么检测后，你何时去做死锁检测呢？一般来
说，有两个考量标准：

• 每当有资源请求时就去检测，这种方式会占用昂贵的CPU时间。
• 每隔k分钟检测一次，或者当CPU使用率降低到某个标准下去检测。考虑到CPU效率的原因，如果死锁进程达到一定数量，就没有多少进程可以运行，所以CPU会经常空闲。

5、死锁恢复

• 1、抢占恢复。在某些情况下，可能会临时将某个资源从它的持有者转移到另一个进程。比如在不通知原进程的情况下，将某个资源从进程中强制取走给其他进程使用，使用完后又送回。这种恢复方式一般比较困难而且有些简单粗暴，并不可取。
• 2、回滚恢复。周期性地检查进程的状态（包括请求的资源），将其写入一个文件，当发生死锁，回滚到之前的某个时间点。
• 3、杀死进程恢复。最简单有效的解决方案是直接杀死一个死锁进程。但是杀死一个进程可能照样行不通，这时候就需要杀死别的资源进行恢复

6、鸵鸟算法

最简单的解决办法就是使用鸵鸟算法（ ostrich algorithm），把头埋在沙子里，假装问题根本没有发生。每个人看待这个问题的反应都不同。数学家认为死锁是不可接受的，必须通过有效的策略来防止死锁的产生。工程师想要知道问题发生的频次，系统因为其他原因崩溃的次数和死锁带来的严重后果。如果死锁发生的频次很低，而经常会由于硬件故障、编译器错误等其他操作系统问题导致系统崩溃，那么大多数工程师不会修复死锁。