进程死锁——银行家算法

死锁概念

  一组进程中，每个进程都无限等待被该组进程中另一进程所占有的资源，因而永远无法得到该资源，这种现象称为进程死锁(Deadlock)，这一组进程就称为死锁进程。

1、死锁产生的原因

• 竞争资源引起进程死锁（资源分配策略）（可剥夺和非剥夺资源）
• 进程推进顺序不当引起死锁

PS：关于死锁的一些结论：

• 参与死锁的进程最少是两个（两个以上进程才会出现死锁）
• 参与死锁的进程至少两个已经占有资源
• 参与死锁的所有进程都在等待资源
• 参与死锁的进程是当前系统中所有进程的子集
• 如果死锁发生，会浪费大量的系统资源，甚至导致系统崩溃

2、死锁的四个必要条件

• 互斥条件：设计的资源是非共享的
• 不可抢占条件：不能强行剥夺进程拥有的资源
• 请求和保持条件：进程在等待一新资源时继续占有已分配的资源
• 环路条件：存在一种进程的循环链，链中的每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求

3、处理死锁的方法

• 预防死锁：通过设置某些限制条件，去破坏死锁四个必要条件中的一个或多个，来防止死锁。
• 避免死锁：不事先设置限制条件去破坏产生死锁的条件，而是在资源的动态分配过程中，用某种方法去防止系统进入不安全状态，从而避免死锁的发生。
• 检测死锁：允许死锁发生，但可通过检测机构及时检测出死锁的发生，并精确确定与死锁有关的进程和资源，然后采取适当措施，将系统中已发生的死锁清除掉。
• 解除死锁：与检测死锁相配套，用于将进程从死锁状态解脱出来。常用的方法是撤消或挂起一些进程。以回收一些资源，再将它们分配给处于阻塞状态的进程，使之转为就绪状态

4、避免死锁——银行家算法

• 可利用资源向量Available。它是一个含有 m个元素的数组，其中每个元素代表一类 可利用资源的数目。
• 最大需求矩阵Max。n*m矩阵，表示n个进程的每一个对m类资源的最大需求。
  
• 分配矩阵Allocation 。n*m矩阵，表示每个进程已分配的每类资源的数目。
  
• 需求矩阵Need 。n*m矩阵，表示每个进程还需要各类资源数。

银行家算法步骤：

当进程Pi提出资源申请时，执行下列步骤：

（1）若Requesti[j]≤Need[i,j],转（2）；
          否则错误返回
（2）若Requesti[j] ≤Available[j],

          转（3）；否则进程等待

（3）假设系统分配了资源，则有：
       Available [j] :=Available [j] -Requesti[j];
        Allocation[i,j]:=Allocation[i,j]+Requesti[j];
        Need[i,j]:=Need[i,j]-Requesti[j]
（4）执行安全性算法。
       若系统新状态是安全的，则完成分配；

       若系统新状态是不安全的，则恢复原状态，进程等待

安全性算法步骤：

(1) Work[j]:=Available[j];

      Finish[i]:=false;
(2) 寻找满足下列条件的i：
      a).  Finish[i]=false;
      b).  Need[i,j]≤Work[j];

  如果不存在，则转(4)

(3) Work[j] :=Work[j]+Allocation[i,j];
      Finish[i]:=true;
      转(2)

(4) 若对所有i,Finish[i]=true,则系统处于安全状态，否则处于不安全状态

可得：      Need[i,j]= Max[i,j]- Allocation[i,j]

例：

设系统有五个进程和三类资源，每类资源分别有10、5、7。在T0时刻资源分配情况如下：

T0时刻可以找到一个安全序列，系统是安全的。

P1发出请求Request(1,0,2)，执行银行家算法

可以找到一个安全序列{P1,P3,P4,P0,P2}，系统是安全的，可以将P1请求资源分配给它。

若是：P4发出请求Request(3,3,0), 执行银行家算法
Available=（2 3 0）

不能通过算法第2步（ Requesti[j]≤Available[j] ），所以P4等待。

例：如下：若P0发出请求Request(0,2,0)，执行银行家算法

Available{2,1,0}已不能满足任何进程需要，所以系统进入不安全状态，P0的请求不能分配。

练习题：有三类资源A(17)、B(5)、C(20)。有5个进程P1~P5。T0时刻系统状态如下：

问:
(1)、T0时刻是否为安全状态，给出安全系列。
(2)、T0时刻，P2: Request(0,3,4)，能否分配，为什么？
(3)、在(2)的基础上P4：Request(2,0,1)，能否分配，为什么？
(4)、 在(3)的基础上P1：Request(0,2,0)，能否分配，为什么？  

解：(1) T0时刻的出安全系列

先求出Need和Work

(2)  P2: Request(0,3,4)

因（Available =2 3 3）< Request(0,3,4) 所以不能分配。

(3)  P4：Request(2,0,1)       Available =2 3 3

有安全序列P4 P5 P3 P2 P1 可以分配

(4)  P1：Request(0,2,0)

0  1  2 已不能满足任何进程的需要，不能分配