挑战408——操作系统（13）——死锁(deadlock)

死锁，可以定义为一组竞争系统资源或者相互通信的进程，相互的“永久性“”的阻塞，若无外力作用，这组进程将永远没有办法继续执行。很遗憾，目前这种问题没有一种有效的通用解决方案。
这里对于死锁的定义理解要注意死锁的对象——一组进程，相互竞争。如果是一个进程可能长期或者永久性得不到执行，那么这个进程是处于饥饿状态而不是死锁。同时，饥饿 ≠死锁！，饥饿现象只是死锁的一种结果，就是说由于死锁的出现，导致了死锁的进程饿死。但是饥饿现象不是一定由于死锁导致的。比如前面的一些调度算法，也可能造成饥饿，因为有些程序可能永远得不到执行，但是不意味着它就死锁了。用句现在流行的话来说它仅仅是“自闭”了而已。

哲学家进餐问题

在讲PV操作的时候，特意没讲这个经典的问题，目的就是让学到这里的时候，对死锁再加深认识，直接举例子不如分析例子来的好。

问题描述：这个问题由伟大的计算机科学家dijkstra提出并解决。有5个哲学家，他们的生活方式是，思考，进餐。他们围绕着圆桌而坐，桌子上有5双筷子和5碗米饭，平时哲学家进行思考，饥饿的时候他拿起左右两边的筷子（一根一根的拿起），试图进餐，进餐完毕后又陷入思考。哲学家只有同时拿到筷子才能进食。如图：

我们按照之前的模板分析：

1. 临界资源分析：显然筷子是临界资源，因为它一次只允许一个哲学家使用。
2. 交互关系分析：这里有5个哲学家，也就是有5个一样的进程，他们对筷子的访问是互斥的。他们之间没有一定的先后顺序，毕竟不知道谁会先饿。
3. 思路分析：哲学家能吃到饭的前提是，他手里有两根筷子，而拿到筷子的前提是，他左右两边的哲学家，恰好在思考。
4. 信号量设置分析：这里筷子是临界资源，每个筷子都是一个临界资源，对临界资源的访问要以互斥的形式访问，所以要设置5个互斥信号量，信号量较多的情况下，我们用数组表示会方便很多，比如 chopsticks[5] = {1,1,1,1,1,}.因为没有同步关系，因此我们也不用设置其他的资源信号量。

伪代码如下：

//哲学家进餐问题
semaphore chopsticks[5] = {1,1,1,1,1};//定义互斥信号量数组
void philosopher(int i){ //第i个哲学家进程
	while (true){
		P(chopsticks[i]);//申请左边的筷子
		P(chopsticks[(i + 1)%5]);//申请右边的筷子
		.......
		..进餐.       //拿到了左右两根筷子后，进餐
		.......
		V(chopsticks[i]);//放下左边的筷子
		V(chopsticks[(i + 1)%5);//放下右边的筷子
		.......
		..思考.  //吃完饭思考
		.......
	}
}

上面的代码，解决了两个相邻的哲学家不会同时进餐的问题，但是思考这样一个问题。假设所有的哲学家同一时间都饿了呢？我们分析一下，进程同时执行下面的语句：

P(chopsticks[i]);申请左边的筷子

那么，现在所有的哲学家手里都有一根筷子，右边的筷子已经被别人拿走了，所以谁也没有办法进食，每个人都希望右边的人能放下手中的筷子，陷入了无休止的等待当中，哲学家迟早被饿死。这就是死锁现象。这样的理解很是深刻。
那么先就事论事，先解决这个问题再说：
提供一种思路，既然这样全都得饿死，那不如就先让一个人吃完，吃完后把筷子让出来。也就是说，只有当哲学家两边的筷子都能用的时候，才允许它吃饭。那么具体怎么实现呢?其实不难，我们只要在某个哲学家拿筷子的时候，其他的哲学家都不能拿筷子，也就是说取筷子这个动作是互斥的。于是有了下面的改进代码：

//哲学家进餐问题
semaphore chopsticks[5] = {1,1,1,1,1};//定义互斥信号量数组
semaphore mutex = 1;//设置使用筷子的互斥信号量
void philosopher(int i){ //第i个哲学家进程
	while (true){
		P(mutex);//申请使用筷子操作
		P(chopsticks[i]);//申请左边的筷子
		P(chopsticks[(i + 1)%5]);//申请右边的筷子
		.......
		..进餐.       //拿到了左右两根筷子后，进餐
		.......
		V(chopsticks[i]);//放下左边的筷子
		V(chopsticks[(i + 1)%5];//放下右边的筷子
		V(mutex);//筷子使用完毕，放回原位
		.......
		..思考.
		.......
	}
}

死锁产生的原因

死锁产生的原因主要有四个方面：资源不足，进程推进顺序非法，资源的使用。

1. 资源不足：通常系统中拥有的不可剥夺的资源，数量不足以满足多个进程的需要，使得进程在运行过程中因为竞争资源而导致竞争资源陷入僵局，导致死锁。（比如竞争打印机，刚刚哲学家问题的筷子）
2. 进程推进顺序非法：进程中申请和释放资源的顺序安排不当（如将生产者消费者之间的PV操作的顺序颠倒）。如果进程P不是同时需要两个资源，先使用一个再申请一个，这样就不会产生死锁。
3. 资源的使用。系统中的资源主要分两大类：可重复资源，可消耗资源。
   可重复资源包括：处理机，I/O通道，设备文件，以及数据库等等，这种资源，进程得到后，再释放，供其他进程再次使用。
   可消耗资源包括：中断，信号量，缓冲区。当一个进程使用该资源后，便不复存在。
   就生产者消费者问题而言，按照顺序先P（mutex）也是基于此考虑的。

解决死锁的方法是：预防，检测和避免。（这个很重要，常识）

死锁的必要条件

1. 互斥。一段时间内，某种资源只能由一个进程占有，此时其他要求使用该资源的进程只能阻塞。
2. 请求与保持。当进程已经占有了至少一个进程，又提出新的资源要求，而该被请求的资源又被其他进程占用，此时进程阻塞，但是对它持有的资源，保持不放。
3. 不可剥夺。进程已经获得资源，在它使用完毕前不能被剥夺，只能使用完毕后自己释放。
4. 环路条件。存在一个与资源的环形链，设链中的每个进程都在等待一个被占用的资源。（就是哲学家问题中的，每个哲学家都手持一根筷子的情况）。
   
   一般情况下，前面三种情况都是合理的。进程间的互斥，是为了保证再现性，请求与保持是正常的运行，对于一些资源，比如打印机，是不能剥夺使用的。
   123是死锁的必要条件，而4是123的潜在的结果。当前面的123某一种情况与4同时出现的时候，表明进程间发生了死锁。

解决死锁的方法是：预防，检测和避免。（这个很重要，常识）

死锁的预防

死锁的预防可以从4个必要条件入手。

• 对于互斥，这是程序并发必不可少的一种机制，无法避免
• 对于请求与保持。出现问题的原因是因为，运行过程中自己的资源不够，而向外申请造成的。所以我们可以预先分配。即要求进程一次性请求完所有资源，若不能满足，就阻塞这个进程。直到它所有的资源都满足为止。这就要求预知进程运行所需要的总资源数。
  缺点：进程将会被延迟运行，资源被严重浪费。而且最重要的是，进程只有在运行的时候才知道需要哪些资源。
• 对于不可剥夺，最直接的方式就是剥夺阻塞进程的资源，但是代价太大，会导致进程无限期推迟运行。
• 对于环路，那么破坏环路的条件。可以采用有序分配策略，
  如果一个进程已经分配到了某种类型的资源，它接下来请求的资源，只能是那些排在这个资源之后的资源。（即按一定顺序来申请资源）

死锁的检测

死锁检测算法主要是检查系统中的进程是否有循环等待，将系统总的进程和资源的申请和分配描述成一幅有向图，称为资源分配图。通过检查有向图中是否有环来判断死锁的存在。

用方框代表资源，方框里面的小圆圈代表的是资源数，P1，P2是进程。
从进程出的边为请求边，从进程入的边为分配边
那么，采用拓扑排序的方式来判断图中是否有环。关于拓扑排序 看这个：数据结构——图（9）——拓扑排序与DFS

死锁定理：系统处于死锁状态等价于状态S的资源分配图是不可以被简化的

死锁的预防

银行家算法（下篇详细介绍）