死锁问题,一篇解决!!

什么是死锁

多线程以及多进程改善了系统资源的利用率并提高了系统的处理能力。然而，并发执行也带来了新的问题——死锁。
死锁是指两个或两个以上的进程（线程）在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局（Deadly-Embrace) ) ，若无外力作用，这些进程（线程）都将无法向前推进。

结论:

• 参与死锁的进程数至少为两个
• 参与死锁的所有进程均等待资源
• 参与死锁的进程至少有两个已经占有资源
• 死锁进程是系统中当前进程集合的一个子集
• 死锁会浪费大量系统资源，甚至导致系统崩溃。

饥饿与死锁的区别

• 饥饿（Starvation）指一个进程一直得不到资源。

• 死锁和饥饿都是由于进程竞争资源而引起的。饥饿一般不占有资源，死锁进程一定占有资源。

死锁产生的原因

• 竞争不可抢占的资源

通常系统中拥有的不可抢占资源，其数量不足以满足多个进程运行的需要，使得进程在运行过程中，会因争夺资源而陷入僵局，如磁带机、打印机等。只有对不可抢占资源的竞争 才可能产生死锁，对可抢占资源的竞争是不会引起死锁的。

• 竞争可消耗资源
• 推进顺序不当

进程在运行过程中，请求和释放资源的顺序不当，也同样会导致死锁。例如，并发进程 P1、P2分别保持了资源R1、R2，而进程P1申请资源R2，进程P2申请资源R1时，两者都会因为所需资源被占用而阻塞。
信号量使用不当也会造成死锁。进程间彼此相互等待对方发来的消息，结果也会使得这 些进程间无法继续向前推进。例如，进程A等待进程B发的消息，进程B又在等待进程A 发的消息，可以看出进程A和B不是因为竞争同一资源，而是在等待对方的资源导致死锁。

资源的类型

可重用资源(永久性资源)

可被多个进程多次使用，如所有硬件。

• 只能分配给一个进程使用，不允许多个进程共享。
• 进程在对可重用资源的使用时，须按照请求资源、使用资源、释放资源这样的顺序。
• 系统中每一类可重用资源中的单元数目是相对固定的，进程在运行期间，既不能创建，也不能删除

消耗性资源(临时性资源)

又称临时性资源，是由进程在运行期间动态的创建和消耗的。

• 消耗性资源在进程运行期间是可以不断变化的，有时可能为0。
• 进程在运行过程中，可以不断地创造可消耗性资源的单元，将它们放入该资源类的缓冲区中，以增加该资源类的单元数目。
• 进程在运行过程中，可以请求若干个可消耗性资源单元，用于进程自己消耗，不再将它们返回给该资源类中。

可消耗资源通常是由生产者进程创建，由消费者进程消耗。最典型的可消耗资源是用于进程间通信的消息。

可抢占资源

可抢占资源指某进程在获得这类资源后，该资源可以再被其他进程或系统抢占。对于这类资源是不会引起死锁的。

CPU 和主存均属于可抢占性资源。

不可抢占资源

一旦系统把某资源分配给该进程后，就不能将它强行收回，只能在进程用完后自行释放。

磁带机、打印机等属于不可抢占性资源。

产生死锁的四个必要条件

• 互斥条件:进程要求对所分配的资源（如打印机）进行排他性控制，即在一段时间内某资源仅为一个进程所占有。此时若有其他进程请求该资源，则请求进程只能等待。
• 不可剥夺条件:进程所获得的资源在未使用完毕之前，不能被其他进程强行夺走，即只能由获得该资源的进程自己来释放（只能是主动释放)。
• 请求与保持条件:进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但对自己已获得的资源保持不放。
• 循环等待条件:存在一种进程资源的循环等待链，链中每一个进程已获得的资源同时被 链中下一个进程所请求。

注意:以上这四个条件是死锁的必要条件，只要系统发生死锁，这些条件必然成立，而只要上述条件之一不满足，就不会发生死锁.

 

处理死锁的方法

• 预防死锁:通过设置某些限制条件，去破坏产生死锁的四个必要条件中的一个或几个条件，来防止死锁的发生。
• 避免死锁: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:允许系统在运行过程中发生死锁，但可设置检测机构及时检测死锁的发生，并采取适当措施加以清除。
• 解除死锁:当检测出死锁后，便采取适当措施将进程从死锁状态中解脱出来。

预防死锁

• 破坏"互斥"条件:就是在系统里取消互斥。若资源不被一个进程独占使用，那么死锁是肯定不会发生的。但一般来说在所列的四个条件中，“互斥”条件是无法破坏的。因此，在死锁预防里主要是破坏其他几个必要条件，而不去涉及破坏“互斥”条件。

注意:互斥条件不能被破坏,否则会造成结果的不可再现性

• 破坏"占有并等待"条件:破坏“占有并等待”条件，就是在系统中不允许进程在已获得某种资源的情况下，申请其他资源。即要想出一个办法，阻止进程在持有资源的同时申请其他资源。
  方法一：创建进程时，要求它申请所需的全部资源，系统或满足其所有要求，或什么也不给它。这是所谓的 “ 一次性分配”方案。
  方法二：要求每个进程提出新的资源申请前，释放它所占有的资源。这样，一个进程在需要资源S时，须先把它先前占有的资源R释放掉，然后才能提出对S的申请，即使它可能很快又要用到资源R。
• 破坏"不可抢占"条件:破坏“不可抢占”条件就是允许对资源实行抢夺。
  方法一：如果占有某些资源的一个进程进行进一步资源请求被拒绝，则该进程必须释放它最初占有的资源，如果有必要，可再次请求这些资源和另外的资源。
  方法二：如果一个进程请求当前被另一个进程占有的一个资源，则操作系统可以抢占另一个进程，要求它释放资源。只有在任意两个进程的优先级都不相同的条件下，方法二才能预防死锁。
• 破坏"循环等待"条件:破坏“循环等待”条件的一种方法，是将系统中的所有资源统一编号，进程可在任何时刻提出资源申请，但所有申请必须按照资源的编号顺序（升序）提出。这样做就能保证系统不出现死锁。

常用避免死锁的方法

• 有序资源分配法
• 银行家算法

银行家算法

详情见银行家算法

常用避免死锁的技术

• 加锁顺序: 当多个线程需要相同的一些锁，但是按照不同的顺序加锁，死锁就很容易发生。

  如果能确保所有的线程都是按照相同的顺序获得锁，那么死锁就不会发生。

• 加锁时限: 在尝试获取锁的时候加一个超时时间，这也就意味着在尝试获取锁的过程中若超过了这个时限该线程则放弃对该锁请求。若一个线程没有在给定的时限内成功获得所有需要的锁，则会进行回退并释放所有已经获得的锁，然后等待一段随机的时间再重试。这段随机的等待时间让其它线程有机会尝试获取相同的这些锁，并且让该应用在没有获得锁的时候可以继续运行(译者注：加锁超时后可以先继续运行干点其它事情，再回头来重复之前加锁的逻辑)。
• 死锁检测: 死锁检测是一个更好的死锁预防机制，它主要是针对那些不可能实现按序加锁并且锁超时也不可行的场景。

  每当一个线程获得了锁，会在线程和锁相关的数据结构中（map、graph等等）将其记下。除此之外，每当有线程请求锁，也需要记录在这个数据结构中。

  当一个线程请求锁失败时，这个线程可以遍历锁的关系图看看是否有死锁发生。例如，线程A请求锁7，但是锁7这个时候被线程B持有，这时线程A就可以检查一下线程B是否已经请求了线程A当前所持有的锁。如果线程B确实有这样的请求，那么就是发生了死锁（线程A拥有锁1，请求锁7；线程B拥有锁7，请求锁1）。

解除死锁

一旦检测出死锁，就应立即釆取相应的措施，以解除死锁。
死锁解除的主要方法有：

1.  资源剥夺法。挂起某些死锁进程，并抢占它的资源，将这些资源分配给其他的死锁进程。但应防止被挂起的进程长时间得不到资源，而处于资源匮乏的状态。
2.  撤销进程法。强制撤销部分、甚至全部死锁进程并剥夺这些进程的资源。撤销的原则可以按进程优先级和撤销进程代价的高低进行。
3.  进程回退法。让一（多）个进程回退到足以回避死锁的地步，进程回退时自愿释放资源而不是被剥夺。要求系统保持进程的历史信息，设置还原点。

检测死锁

一般来说，由于操作系统有并发，共享以及随机性等特点，通过预防和避免的手段达到排除死锁的目的是很困难的。这需要较大的系统开销，而且不能充分利用资源。为此，一种简便的方法是系统为进程分配资源时，不采取任何限制性措施，但是提供了检测和解脱死锁的手段：能发现死锁并从死锁状态中恢复出来。因此，在实际的操作系统中往往采用死锁的检测与恢复方法来排除死锁。
死锁检测与恢复是指系统设有专门的机构，当死锁发生时，该机构能够检测到死锁发生的位置和原因，并能通过外力破坏死锁发生的必要条件，从而使得并发进程从死锁状态中恢复出来。
这时进程P1占有资源R1而申请资源R2，进程P2占有资源R2而申请资源R1，按循环等待条件，进程和资源形成了环路，所以系统是死锁状态。进程P1，P2是参与死锁的进程。
下面我们再来看一看死锁检测算法。算法使用的数据结构是如下这些：
占有矩阵A：n*m阶，其中n表示并发进程的个数，m表示系统的各类资源的个数，这个矩阵记录了每一个进程当前占有各个资源类中资源的个数。
申请矩阵R：n*m阶，其中n表示并发进程的个数，m表示系统的各类资源的个数，这个矩阵记录了每一个进程当前要完成工作需要申请的各个资源类中资源的个数。
空闲向量T：记录当前m个资源类中空闲资源的个数。
完成向量F：布尔型向量值为真（true）或假（false），记录当前n个并发进程能否进行完。为真即能进行完，为假则不能进行完。
临时向量W：开始时W：=T。
算法步骤：
（1）W：=T，
对于所有的i=1，2，…，n，
如果A[i]=0，则F[i]：=true；否则，F[i]：=false
（2）找满足下面条件的下标i：
F[i]：=false并且R[i]〈=W
如果不存在满足上面的条件i，则转到步骤（4）。
（3）W：=W+A[i]
F[i]：=true
转到步骤（2）
（4）如果存在i，F[i]：=false，则系统处于死锁状态，且Pi进程参与了死锁。什么时候进行死锁的检测取决于死锁发生的频率。如果死锁发生的频率高，那么死锁检测的频率也要相应提高，这样一方面可以提高系统资源的利用率，一方面可以避免更多的进程卷入死锁。如果进程申请资源不能满足就立刻进行检测，那么每当死锁形成时即能被发现，这和死锁避免的算法相近，只是系统的开销较大。为了减小死锁检测带来的系统开销，一般采取每隔一段时间进行一次死锁检测，或者在CPU的利用率降低到某一数值时，进行死锁的检测。