第四章 死锁

目录

一、死锁的概念

1.1 什么是死锁 

1.2 死锁、饥饿、死循环的区别

1.2.1 死锁

1.2.2 饥饿

1.2.3 死循环

1.2.4 三者间的异同

1.3 死锁产生的必要条件

1.3.1 互斥条件

1.3.2 不剥夺条件

1.3.3 请求和保持条件

1.3.4 循环等待条件 

1.4 什么时候会发生死锁

1.5 死锁的处理策略

1.5.1 预防死锁

1.5.2 避免死锁

1.5.3 死锁的检测和解除

二、死锁的处理策略

2.1 预防死锁

2.1.1 破坏互斥条件

2.1.1.1 互斥条件

2.1.1.2 策略缺点

2.1.2 破坏不剥夺条件

2.1.2.1 不剥夺条件

2.1.2.2 策略缺点

2.1.3 破坏请求和保持条件

2.1.3.1 请求和保持条件

2.1.3.2 采取方法

2.1.3.3 策略缺点

2.1.4 破坏循环等待条件

2.1.4.1 循环等待条件

2.1.5.2 采取策略

2.1.5.3 策略缺点

2.2 避免死锁​编辑

2.2.1 安全序列、不安全状态、死锁的联系

2.2.2 安全性算法步骤

2.2.3 银行家算法

2.2.3.1 背景知识

2.2.3.2 核心思想

2.2.3.3 银行家算法步骤

2.3 检测和解除

2.3.1 死锁的检测

2.3.2 死锁的解除

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一、死锁的概念

1.1 什么是死锁 

1.2 死锁、饥饿、死循环的区别

1.2.1 死锁

各进程互相等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，无法向前推进的现象。

1.2.2 饥饿

由于长期得不到想要的资源，某进程无法向前推进的现象。如在短进程优先（SPF）算法中，若有源源不断的短进程到来，则长进程将一直得不到处理机，从而发生长进程“饥饿”。

1.2.3 死循环

某进程执行过程中一直跳不出某个循环的现象。有时是因为程序逻辑 bug 导致的，有时是程序员故意设计的。

1.2.4 三者间的异同

1.3 死锁产生的必要条件

1.3.1 互斥条件

只有对必须互斥使用的资源的争抢才会导致死锁（如哲学家的筷子、打印机设备）。像内存、扬声器这样可以同时让多个进程使用的资源是不会导致死锁的（因为进程不用阻塞等待这种资源）。

1.3.2 不剥夺条件

进程所获得的资源在未使用完之前，不能由其他进程强行夺走，只能主动释放。

1.3.3 请求和保持条件

进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源又被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但又对自己已有的资源保持不放。

1.3.4 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下一个进程所请求。

注意：发生死锁时一定有循环等待，但是发生循环等待时未必死锁（循环等待是死锁的必要不充分条件）。如果同类资源数大于1，则即使有循环等待，也未必发生死锁。但如果系统中每类资源都只有一个，那循环等待就是死锁的充分必要条件了。

1.4 什么时候会发生死锁

对不可剥夺资源的不合理分配，可能导致死锁：

• 对系统资源的竞争。各进程对不可剥夺的资源（如打印机）的竞争可能引起死锁，对可剥夺的资源（CPU的竞争是不会引起死锁的。
• 进程推进顺序非法。请求和释放资源的顺序不当，也同样会导致死锁。例如，并发执行的进程P1、P2分别申请并占有了资源R1、R2，之后进程P1又紧接着申请资源R2，而进程P2又申请资源R1，两者会因为申请的资源被对方占有而阻塞，从而发生死锁。
• 信号量的使用不当也会造成死锁。如生产者-消费者问题中，如果实现互斥的P操作在实现同步的P操作之前，就有可能导致死锁。(可以把互斥信号量、同步信号量也看做是一种抽象的系统资源）。

1.5 死锁的处理策略

1.5.1 预防死锁

破坏死锁产生的四个必要条件中的一个或几个。

1.5.2 避免死锁

用某种方法防止系统进入不安全状态，从而避免死锁，如银行家算法。

1.5.3 死锁的检测和解除

允许死锁的发生，不过操作系统会负责检测出死锁的发生，然后采取某种措施解除死锁。

二、死锁的处理策略

2.1 预防死锁

2.1.1 破坏互斥条件

2.1.1.1 互斥条件

只有对必须互斥使用的资源的争抢才会导致死锁。

2.1.1.2 策略缺点

并不是所有的资源都可以改造成可共享使用的资源。并且为了系统安全，很多地方还必须保护这种互斥性。因此，很多时候都无法破坏互斥条件。

2.1.2 破坏不剥夺条件

2.1.2.1 不剥夺条件

进程所获得的资源在未使用完之前，不能由其他进程强行夺走，只能主动释放。

2.1.2.2 策略缺点

• 实现起来比较复杂。
• 释放已获得的资源可能造成前一阶段工作的失效。因此这种方法一般只适用于易保存和恢复状态的资源，如CPU。
• 反复地申请和释放资源会增加系统开销，降低系统吞吐量。

2.1.3 破坏请求和保持条件

2.1.3.1 请求和保持条件

进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源又被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但又对自己已有的资源保持不放。

2.1.3.2 采取方法

可以采用静态分配方法，即进程在运行前一次申请完它所需要的全部资源，在它的资源未满足前，不让它投入运行。一旦投入运行后，这些资源就一直归它所有，该进程就不会再请求别的任何资源了。

2.1.3.3 策略缺点

有些资源可能只需要用很短的时间，因此如果进程的整个运行期间都一直保持着所有资源，就会造成严重的资源浪费，资源利用率极低。另外，该策略也有可能导致某些进程饥饿。

2.1.4 破坏循环等待条件

2.1.4.1 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下一个进程所请求。

2.1.5.2 采取策略

• 可采用顺序资源分配法。首先给系统中的资源编号，规定每个进程必须按编号递增的顺序请求资源，同类资源（即编号相同的资源）一次申请完。
• 原理分析：一个进程只有已占有小编号的资源时，才有资格申请更大编号的资源。按此规则，已持有大编号资源的进程不可能逆向地回来申请小编号的资源，从而就不会产生循环等待的现象。

2.1.5.3 策略缺点

• 不方便增加新的设备，因为可能需要重新分配所有的编号；
• 进程实际使用资源的顺序可能和编号递增顺序不一致，会导致资源浪费；
• 必须按规定次序申请资源，用户编程麻烦。

2.2 避免死锁

2.2.1 安全序列、不安全状态、死锁的联系

• 安全序列，就是指如果系统按照这种序列分配资源，则每个进程都能顺利完成。只要能找出一个安全序列，系统就是安全状态。当然，安全序列可能有多个。
• 如果分配了资源之后，系统中找不出任何一个安全序列，系统就进入了不安全状态。这就意味着之后可能所有进程都无法顺利的执行下去。当然，如果有进程提前归还了一些资源，那系统也有可能重新回到安全状态，不过我们在分配资源之前总是要考虑到最坏的情况。
• 如果系统处于安全状态，就一定不会发生死锁。如果系统进入不安全状态，就可能发生死锁（处于不安全状态未必就是发生了死锁，但发生死锁时一定是在不安全状态）。
• 因此可以在资源分配之前预先判断这次分配是否会导致系统进入不安全状态，以此决定是否答应资源分配请求。这也是“银行家算法”的核心思想。

2.2.2 安全性算法步骤

• 检查当前的剩余可用资源是否能满足某个进程的最大需求，如果可以，就把该进程加入安全序列，并把该进程持有的资源全部回收。
• 不断重复上述过程，看最终是否能让所有进程都加入安全序列。

2.2.3 银行家算法

2.2.3.1 背景知识

银行家算法是荷兰学者 Dijkstra 为银行系统设计的，以确保银行在发放现金贷款时，不会发生不能满足所有客户需要的情况。后来该算法被用在操作系统中，用于避免死锁。

2.2.3.2 核心思想

在进程提出资源申请时，先预判此次分配是否会导致系统进入不安全状态。如果会进入不安全状态，就暂时不答应这次请求，让该进程先阻塞等待。

2.2.3.3 银行家算法步骤

• 检查此次申请是否超过了之前声明的最大需求数
• 检查此时系统剩余的可用资源是否还能满足这次请求
• 试探着分配，更改各数据结构
• 用安全性算法检查此次分配是否会导致系统进入不安全状态

2.3 检测和解除

2.3.1 死锁的检测

 

2.3.2 死锁的解除