第三章 死锁 银行家算法

                                                     关于死锁

多道程序系统借助并发执行改善资源利用率，提高系统吞吐量，但可能发生一种危险——死锁。
死锁（Deadlock）：指多个进程在运行过程中，因争夺资源而造成的一种僵局。当进程处于这种状态时，若无外力作用，它们都将无法再向前推进。

死锁（Deadlock）: 指进程之间无休止地互相等待!
饥饿（Starvation）:指一个进程无休止地等待！

四、产生死锁的原因和必要条件
产生死锁的原因可归结为如下两点：
1竞争资源。系统中供多个进程共享的资源如打印机、公用队列等的数目不满足需要时，会引起资源竞争而产生死锁。
2进程间推进顺序非法。进程在运行过程中，请求和释放资源的顺序不当，同样会导致死锁。

1、竞争资源引起进程死锁
可把系统中的资源分为两类：
可剥夺和非剥夺性资源
可剥夺性资源：分配给进程后可以被高优先级的进程剥夺。如CPU和主存。
不可剥夺性资源：分配给进程后只能在进程用完后释放。如磁带机、打印机等。
永久性资源和临时性资源
永久性：打印机。可顺序重复使用
临时性：进程产生被其他进程短暂使用的资源，如数据资源：“生产者/消费者”算法中的信号量。。它可能引起死锁。

2、进程推进顺序不当引起死锁
进程在运行中具有异步性特征，多个进程按向前推进的顺序有两种情况：
推进顺序合法
推进顺序非法

3、 产生死锁的必要条件
形成死锁的四个必要条件（四个条件都具备就会死锁，缺一就不会死锁）
a.互斥条件：进程对所分配到的资源进行排他性使用
b.请求和保持条件：进程已经保持了至少一个资源，又提出新的资源请求，而新请求资源被其他进程占有只能造成c.自身进程阻塞，但对自己已获得的其他资源保持不放，必然影响其他进程。
d.不剥夺条件：进程已获得的资源未使用完之前不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
环路等待条件

4、处理死锁的基本方法
事先预防：
①预防死锁
设置限制条件，破坏四个必要条件的一个或几个，预防发生死锁。
较易实现。限制条件的严格也会导致系统资源利用率和系统吞吐量降低。
②避免死锁
不须事先限制，破坏四个必要条件，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，从而避免发生死锁。
这种事先加以较弱限制的方法，实现上有一定难度，但可获较高的资源利用率及系统吞吐量，目前在较完善的系统中，常用此方法来避免发生死锁。

事后处理：
③检测死锁。
允许系统运行过程中发生死锁，但通过系统检测机构可及时的检测出，能精确确定与死锁有关的进程和资源；然后采取适当的措施，从系统中将已发生的死锁清除掉。
④解除死锁。
与死锁检测配套的一种措施。
常用的实施方法：撤销或挂起一些进程，以便回收一些资源并将他们分配给已阻塞进程，使之转为就绪以继续运行。
死锁的检测与解除措施，有可能使系统获得较好的资源利用率和吞吐量（死锁几率不一定很高），但在实现上难度也最大。

五、预防死锁的方法

预防死锁
资源的排他性无法更改，故在其他3个条件上入手
①摒弃“请求和保持”条件：所有进程开始运行前，必须一次性的申请其在整个运行过程所需的全部资源（AND）。算法简单、易于实现且很安全。但缺点是资源浪费严重、或进程延迟运行。
②摒弃“不剥夺”条件：允许进程先运行，但当提出的新要求不被满足时必须释放它已保持的所有资源，待以后需要时再重新申请。实现比较复杂且付出很大代价。可能会造成前功尽弃，反复申请和释放等情况。
③摒弃“环路等待”条件
有序设置资源：将所有资源按类型进行线性排队，赋予不同序号。所有进程对资源的请求必须严格按照资源序号递增的次序提出，这样在所形成的资源分配图中，不可能会出现环路。
与前两种策略比较，资源利用率和系统吞吐量都有较明显的改善。但也存在严重问题：
资源编号限制新设备的增加；
应用中的使用设备顺序与规定的顺序并不协调；
限制了用户编程自由。

可能的死锁状态（4个位置都填满）：(1)Ｅ方向两辆车分别位于A和B；S方向一辆车位于C；W方向一辆车位于D。(2)S方向两辆车分别位于B和C；E方向一辆车位于A；W方向一辆车位于D。
预防死锁的处理（对资源请求按单向顺序）
为位置资源C、B、A、D设置四个信号量s1,s2,s3,s4，信号量的初值均为1
对他们的使用规定按顺序从低到高编号为1、2、3、4
使用四个位置的信号量必须按规定顺序申请资源，车辆活动代码如下：

2.避免死锁
上述方法限制条件都太强；造成一定的应用不便。采用避免死锁的方法则是只施加较弱限制条件，从而获得令人满意的系统性能。
名词：
安全状态：系统能按某种进程顺序为每个进程分配所需资源，直至满足每个进程对资源的最大需求，并能顺利完成。
不安全状态：系统无法找到一种使多个进程能够顺利分配资源执行完的安全序列。

安全状态、安全序列举例
假定三个进程A、B和C，共有12台磁带机。
假设 t0 时刻，磁带机资源分配情况如下表所示，此时系统是否处于安全状态

是安全的，因为存在一个安全序列B,A,C
只要系统按此进程序列分配资源，就能使每个进程都顺利完成。

由安全状态向不安全状态的转换
每次资源分配时，都应分析判断资源分配图，看该次操作后是否有安全序列。若没有，说明该操作会使系统进入不安全状态。
只要使系统始终处于安全状态，便可避免发生死锁。
不是所有的不安全状态都是死锁状态。

3. 银行家算法避免死锁
   最有代表性的避免死锁的算法，是Dijkstra的银行家算法。由于该算法能用于银行系统现金贷款的发放而得名。
   【思路描述】：随时对系统中的所有资源信息进行统计，包括每种资源的数量、已分配给各进程的数量；每当进程提出某种资源请求时判断该请求分配后是否安全，如果安全才分配。对每个资源请求的处理都要保证系统始终从一个安全状态到另一个安全状态。

银行家算法应用之例
假定系统中有五个进程{P0,P1,P2,P3,P4}和三类资源{A,B,C}，各种资源的数量分别为10、5、7，在T0时刻的资源分配情况如图所示。

计算举例：当前T0时刻是否安全？
利用安全性算法在下表找一个安全序列{P1,P3,P4,P2,P0}，故是安全的。（最后检查应是资源释放完后又回到10、5、7 ）

找安全序列的计算过程表

1）T0时刻的初始状态是安全的；
（2）下面出现P1请求资源的操作，具体请求向量为Request1(1,0,2)，利用银行家算法进行检查该操作是否是安全可行的：
1）两个基本判断
Request1(1,0,2)<=Need1(1,2,2)
Request1(1,0,2)<=Available1(3,3,2)
2）先假设为P1分配资源，并修改Available,Allocation1和Need1向量。

3） Request1(1,0,2)后新的资源状态表下再判断新资源状态是否是安全的。
找到一个安全序列{P1,P3,P4,P0,P2}，因此系统是安全的，该请求是安全的，可将假设真正实施，将P1所申请的资源分配给它。

问：P4发出请求向量Request4(3,3,0)，可否分配资源？
1）Request4(3,3,0)<=Need4(4,3,1);
2）Request4(3,3,0)<=Available(2,3,0),P4等待
问：P0发出请求向量Request0(0,2,0)，可否分配资源？
1）Request0(0,2,0)<=Need0(7,4,3);
2）Request0(0,2,0)<=Available(2,3,0)；
3）系统暂时先假定可为P0分配资源，并修改有关数据，见下表：

Available(2,1,0)不能满足任何finish=false进程的需求，如果分配会使系统进入不安全状态，所以不能分配资源。
如果把P0发出的请求向量改为Request0(0,1,0),系统是否能将资源分配给它，大家考虑。

算法实现说明
算法实现:
首先：需要的一些数据结构
再次：算法过程
核心：安全性判断算法

m类资源，n个并发进程对其产生需求
1）银行家算法中的数据结构
（1）各类可利用资源的数量
向量Available ：（i1，i2，…，im），含m个元素，每个元素代表一类可利用的资源数目。
动态变化的，初始值是系统配置的该类资源的全部数目，值随资源的分配与回收而动态的改变。
实现：一维数组。Available【j】=K，表示系统中Rj类资源现有可用数量为K个。
（2）每个进程对每类资源的需求
最大需求、已获得的、还需要的
最大需求矩阵Max
nm，系统中n个进程中每个进程分别对m类资源的最大需求。
取值：根据进程需求赋初始值。
实现：二维数组。Max【i，j】=K，表示进程 i 需要Rj类资源的最大数目为K。
已分配矩阵Allocation。
nm，定义系统中每一进程已获得的每类资源数量。
Allocation【i，j】=K，表示进程i当前已分得Rj类资源数为K。
还需求的矩阵Need。
n*m，表示每一进程尚需的各类资源数。
Need【i，j】=K，表示进程i还需要Rj类资源K个，方能完成任务。
上述三个矩阵存在关系：
Max【i，j】= Allocation【i，j】+Need【i，j】
每次，给进程 i 分配资源的动作，影响上述数据结构的取值：
Available【  】，Allocation【i，】，Need【i，】

2）避免死锁的算法过程（银行家算法）





六、死锁的检测与解除
当系统为进程分配资源时，若未采取任何限制性措施，则系统必须提供检测和解除死锁的手段，为此系统必须：
保存有关资源的请求和分配信息；
提供一种算法，以利用这些信息来检测系统是否已进入死锁状态。

1、资源分配图
系统死锁可利用资源分配图来描述。
圆圈表示进程
方框表示一类资源，其中的一个点代表一个该类资源
请求边由进程指向方框中的资源
分配边则由方框中的一个点即资源。

死锁的检测

检测时机：
当进程等待时检测死锁
定时检测
系统资源利用率下降时检测死锁
2、死锁定理
利用资源分配图简化法来检测死锁。
简化方法如下：
1.在资源分配图中找出一个既不阻塞又非独立的进程结点Pi，在顺利的情况下运行完毕，释放其占有的全部资源。
2.由于释放了资源，这样能使其它被阻塞的进程获得资源继续运行。消去了Pi的边。
3.经过一系列简化后，若能消去图中所有边，使结点都孤立，称该图是可完全简化的。
S状态为死锁状态的充分条件是当且仅当S状态的资源分配图是不可完全简化的。<死锁定理>

每类资源只有一个资源
死锁检测算法：

• 每个进程和资源指定唯一编号

• 设置一张资源分配表
  记录各进程与其占用资源之间的关系

• 设置一张进程等待表
  记录各进程与要申请资源之间的关系
  反复检测这两张表，列出所有等待与分配的关系，若出现循环等待，则出现了死锁！
  3、 死锁的解除
  当发现进程死锁时，便应立即把它们从死锁状态中解脱出来。常采用的方法是：
  剥夺资源。从其他进程剥夺足够数量的资源给死锁进程以解除死锁状态。
  撤销进程。最简单的是让全部进程都死掉；温和一点的是按照某种顺序逐个撤销进程，直至有足够的资源可用，使死锁状态消除为止。

                                                        死锁处理方法比较