操作系统概念（七）--死锁

---

title: 操作系统（七）–死锁
date: 2019-11-06 19:59:31
tags:

本篇博客分享《操作系统概念》中第七章–死锁部分的学习笔记。
死锁是操作系统设计过程中必须着重考虑的一个环节，处理不得当会导致操作系统吞吐量大幅度降低，响应速度慢的结果。
作为计算机学习者，我们应该掌握死锁的基本原理，以及如何处理死锁问题。

定义

死锁的概念并不难理解，定义如下：

死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去

必要条件

1. 互斥(mutual exclusion): 至少有一个资源是非共享的，即一次只有一个进程可以使用。这使得一个进程可能为了这个资源而等待另一个占有该资源的进程
2. 占有并等待(hold and wait): 一个进程至少占有一个资源，并等待另一个资源。死锁是由许多进程各自占有对方的资源，又互不相让导致的。一个不占有资源的进程是不会导致死锁的。
3. 非抢占(no preemption): 资源不能抢占。各个进程不给对方资源，却又很礼貌，不抢对方的资源。抢占式资源分配很少出现死锁
4. 循环等待（circle wait）： 有一组等待进程{P0 , P1 , … , Pn},P0等待的资源为P1占有，P1等待的资源为P2占有, … ,Pn-1等待的资源为Pn占有，Pn等待的资源为P0占有。死锁的资源分配图呈环状

死锁处理方法

一般来说，死锁有四种处理方法:

1. 死锁预防  
2. 死锁避免  
3. 死锁检测与恢复  
4. 忽略死锁，手动操作

实际上，第四种处理方法看似称不上解决方案，但恰恰为大多数操作系统所采用，包括Linux和Windows。其中，处理死锁的代价是一个重要考量因素。对于许多系统，死锁出现频率很低（甚至一年一次），若使用频繁且开销昂贵的死锁预防、避免或是检测，会浪费大量资源，导致效率低下。相比之下，不处理却是最好的处理，开发人员需自行编写程序，处理死锁即可。

作为学习的需要，了解前三种死锁处理的机制以及分析它们的优缺点对我们大有裨益，以下将详细介绍这三种机制。

死锁预防

死锁预防主要从死锁的四个必要条件入手，从根源阻断死锁的产生

1. 互斥

    可共享文件不要求互斥访问，因此不会产生死锁。  
    可读文件便是共享文件的一个例子，当多个文件试图共同读一个文件时，不会产生死锁的问题  
    但是通常不能通过互斥的角度预防死锁，因为很多资源本身就是非共享的，如互斥锁
   

2. 持有并等待

    该解决方案可理解为all or zero。即每个进程申请资源时，要么获得所有需要的资源，要么什么也得不到。  
    这种方案确实可以解决死锁问题，但是可能导致资源利用率低与饥饿两种问题
   

3. 非抢占

    改变系统为可抢占模式，则资源不会锁死在不同进程中，可以集中起来服务少数进程，并最终服务完所有进程。
    这个协议通常用于状态可保存和恢复的资源，如CPU寄存器和内存。一般不适用于其他资源，如互斥锁和信号量
   

4. 循环等待

    将资源类型完全排序，并要求每个进程按递增顺序来申请资源，这样可以避免资源等待图中环的发生。
    但是，设计一个完全排序或层次结构本身不能防止死锁，还要靠应用程序员按顺序编写程序。另外资源排序方式应该按正常使用顺序编排，不可随意排序。
   

死锁避免

1.资源分配图算法

在一个每种资源只有一个实例的资源分配系统中，可用特殊的资源分配图来避免死锁。
特殊资源分配图：

    除了申请边和分配边（实线），我们引入一个需求边（虚线）。需求边Pi -> Rj表示，进程Pj可能在将来某个时候申请资源Rj。  
    当请求发生时，需求边变成申请边。  
    当Pi释放Rj时，分配边变成需求边。  

算法依据：

    资源分配图中无环，则一定处于安全状态。  
    资源分配图中有环，则可能处于非安全状态。  

算法描述：

    假设Pi申请Rj。只有当申请边Pi->Rj变成分配边Rj->Pi并且资源分配图中不出现环是，才能允许申请。

2. 银行家算法

   适用于每种资源类型有多个实例的资源分配系统。该算法可用于银行系统，可确保银行不会分配现金，以致于它不再满足所有客户的需要。
   算法描述：

   当一个新的进程进入系统时，它应申明可能需要的每种类型资源实例的最大数量，这一数量不能超过系统资源的总和。当某进程申请一组资源时，系统应确定这些资源的分配是否会使系统不再安全。若是，则该进程等待，直到其他进程释放更多资源。否则，分配资源。

死锁检测

1. 每种资源类型只有单个实例：

   维护等待图。当且仅当等待图中有环，出现死锁。

2. 每种资源类型有多个实例：

   维护类似于银行家算法的多个矩阵图。比较Need矩阵与available向量的大小。

死锁恢复

1. 进程终止
   1） 终止所有进程：可打破死锁，但是代价巨大。当进程重新计算时，要耗费大量的时间。
   2） 逐个终止进程，直至消除死锁循环：每次终止一个进程，都将调用死锁检测算法，开销大。并且指定规则，确定每次终止的进程。
2. 资源抢占
   资源抢占可解决死锁问题，但是要处理好三个问题：
   1） 如何选择牺牲进程：根据代价最小原则确定抢占顺序
   2） 回滚：合理处理被抢占进程
   3） 饥饿：应设置进程被抢占次数的上限，避免其被无限抢占而节。