操作系统课堂笔记（五）

四、产生死锁的原因和必要条件

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

产生死锁的原因可归结为如下两点：

•  

  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。

可把系统中的资源分为两类：

• 可剥夺和非剥夺性资源

1. 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。
2. 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

1. 永久性：打印机。可顺序重复使用
2. 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。

• 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。

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：

1. 推进顺序合法
2. 推进顺序非法

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）

1. 互斥条件：进程对所分配到的资源进行排他性使用
2. 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。
3. 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。
4. 环路等待条件

处理死锁的基本方法

事先预防：

• 预防死锁

1. 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。
2. 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。

• 避免死锁

1. 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。
2. 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：

• 检测死锁

1. 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。

• 解除死锁

1. 与死锁检测配套的一种措施。
2. 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。
3. 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：

1. 资源编号限制新设备的增加；
2. 应用中的使用设备顺序与规定的顺序并不协调；
3. 限制了用户编程自由。

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。

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：

1. 保存有关资源的请求和分配信息；
2. 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。

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

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！

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：

1. 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。
2. 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。

本章基础要点

1. 若要使当前运行进程总是优先级最高的进程，则应选择：可抢占优先级调度算法。
2. 在分时系统中，进程调度经常采用：时间片轮转调度算法
3. 可引起进程调度的原因：1）进程运行结束 2）进入阻塞状态 3）时间片用完 4）有更高优先级的进程进入就绪队列
4. 进程调度采用时间片轮转法时，时间片过大，就会使轮转法转化为：先来先服务调度算法。
5. 进程的调度方式有两种：可抢占和非抢占方式
6. 死锁产生的四个必要条件是：互斥、占有且等待、不剥夺和环路等待。
7. 在有m个进程的系统中出现死锁时，死锁进程的个数k满足条件：2 ≤ k ≤ m
8. 不让死锁发生的策略可分为静态和动态两种，死锁避免属于：动态策略。
9. 在进程资源图中，资源Rj分配给进程Pi应表示为：（Rj，Pi）
10. 预先静态分配法可以破坏：占有且等待条件。
11. 资源的按序分配策略可以破坏：环路等待条件