操作系统：死锁的产生和处理

1、死锁产生的四个必要条件

• 互斥条件：进程对所分配到的资源进行排他性使用，即在某一段时间内某资源只能由一个进程占用，在资源被占用期间请求资源的进程只能等待资源释放。
• 请求和保持条件：进程请求某个资源，但是该资源已经被其他进程占有，此时进程只能阻塞等待资源释放，但又不释放已占有的其他资源。
• 不剥夺条件：进程获得的资源只能由进程本身释放，不能被外部程序剥夺。
• 环路等待条件：指在发生死锁时必然存在一个进程-资源唤醒链，链的下一个节点等待上一个节点释放资源，如 P0等待 P1释放资源，P1等待 P0释放资源。

2、处理死锁的三种基本方法

处理死锁的基本方法有：预防死锁、避免死锁、检测死锁四种方法。

预防死锁：通过设置一些限制条件，破坏产生死锁的四个必要条件的一个或多个，来预防发生死锁。预防死锁实现简单，但是往往因为限制条件太过严格，导致系统资源利用率和吞吐量减少。

避免死锁：这种方法同样属于事先预防的策略，但是它不用事先设置限制条件，而是在资源分配的过程中使用某种方法避免系统进入不安全状态，从而避免发生死锁。这种方法只需要事先设置较弱的限制条件，便可获得较高的资源利用率和吞吐量。

检测死锁：这种方法事先不采取任何措施，也不检查系统是否进入不安全区，而是允许系统在运行时发生死锁。但是在系统发生死锁时可以及时的检测出死锁的发生，并定位和死锁有关的线程和资源，然后采取措施解除死锁。

3、预防死锁的方法

预防死锁通过破坏死锁产生的四个必要条件来达到预防死锁产生的目的。但采用这种方法时不能破坏互斥条件，因为它是由设备的固有特性决定的，破坏会影响程序的正常运行。

既然不能破坏互斥条件，我们就来看看如何破坏其他三个条件，以及这些方法对系统吸能的影响。

破坏”请求和保持“条件：

所有进程在开始运行前必须一次性申请所有在运行中要用到的资源，如果申请成功则开始运行，否则让进程等待。因为进程开始运行前一次性申请了所有所需的资源，所以进程在运行时不会再申请资源，这样就破坏了请求条件。同样的，进程在等待期间不占用任何资源，因此也破坏了保持条件。

这种预防死锁的方法简单、易于实现且安全。但是却会造成资源的严重浪费，一些资源可能很少使用，但进程却在运行期间一直占用，导致其他真正需要该资源的进程无法开始。另外，一次性申请所有资源失败的可能性较高，这样就会导致一些进程因为申请资源一直失败而延迟执行。

破坏”不剥夺“条件：

进程在申请资源时如果不能立即满足，进程需要释放已经占有的所有资源并等待，当进程再次运行时需要重新申请所需资源。这种方法的缺点是某些资源的被迫释放可能导致前面的工作失效，比如某个进程占有打印机，在进程在打印时被剥夺了打印机的占有，当进程再次获得打印机时前面可能有其他进程的打印内容。另外，这种方法还有可能导致进程反复释放和请求资源，从而使进程无限期的等待下去。

破坏”环路等待“条件：

系统对所有资源按类型进行线性排队，并赋予递增的序号，进程在申请资源时必须按照顺序进行申请。这种方式限制了新类型设备的添加，而且在用户使用资源的顺序和系统规定的顺序不一致时会造成浪费。另外，这种强制的按顺序申请资源的方式限制了用户简单、自主的编程。

4、避免死锁的方法

在避免死锁的算法中，系统允许进程动态申请资源，但为进程分配资源前，要先计算这次资源分配的安全性，如果这次分配不会导致系统进入不安全的状态，则将资源分配给进程，否则让进程等待。

安全状态是指系统能够按照某种序列，来为系统中的每个进程分配资源，直至满足每个进程对资源的最大需求，使每个进程都能顺利完成。如果系统找不到这样一个序列，则称系统处于不安全状态。

系统进入不安全状态并不意味着一定会进入死锁状态，但如果系统处于安全状态，则一定不会进入死锁状态，所以避免死锁可以转换为避免系统进入不安全状态。

最有代表性的避免死锁的算法，是 Dijkstra的银行家算法。这是由于该算法能用于银行
系统现金贷款的发放而得名的。

银行家算法：

数据结构：

• 可利用资源向量 Available：这是一个含有 m个元素的数组，其中每一个元素代表一类可利用的资源的数目，初始值使系统中所配置的该类全部可用资源的数目，其数值随该类资源的分配和回收而改变。
• 最大需求矩阵 Max：这是一个 n*m的矩阵，它定义了系统中 n个进程各自对 m类资源的最大需求。如果 Max[i,j]=K，则表示进程 i所需要的 j类资源的最大数目为 K。
• 分配矩阵 Allocation：这是一个 n*m的矩阵，它定义了系统中每类资源已经分配给对应进程的总数。如果 Allocation[i,j]=K，则表示进程 i已分配 j类资源的数目为 K。
• 需求矩阵 Need：这是一个 n*m的矩阵，它定义了每一个进程尚需的各类资源数目。如果 Need[i,j]=K，则表示进程 i还需要 j类资源的数目为 K。

算法：

设 Request是进程 P（进程号为 i）的请求向量，Request[j]=K表示进程 P需要 j类资源的数目为 K，当进程发出请求后，系统执行以下步骤进行检查：

1. 如果 Request[j] <= Need[i,j]，转向步骤 2；否则认为出错，因为进程请求的资源已经超过了它之前宣布的最大值。

2. 如果 Request[j] <= Available[i,j]，转向步骤 3；否则认为出错，因为进程请求的资源数已经超过了当前可用的资源数量。

3. 系统将尝试资源分配给进程 P，并更新 Max、Available和 Allocation的值：

   Available[j] = Available[j] - Request[j]
   Allocation[i,j] = Allocation[i,j] + Request[j]
   Need[i,j] = Need[i,j] - Request[j]
   

4. 系统执行安全性算法，检查此次资源分配后系统是否处于安全状态。若安全，则正式将资源分配给进程 P，否则，让进程 P等待。

安全性检查算法：

1. 设置两个数组 Work和 Finish，Work的初始值为 Available的值，Work表示系统当前可用的所有资源数目，可以把 Work看作是动态更新的 Available；Finish全部初始化为 false，表示对应进程是否完成，最开始所有进程都未完成。

2. 从进程集合中找到一个满足下述条件的进程

   • Finish[i] =false；进程未完成
   • Need[i]<=Work；这个不等式表示 Need[i]中的所有元素都小于等于 Work中对应的元素，即表示当前系统可用的资源数目可以满足进程 i顺利执行完成。

   如果找到这样的进程则执行步骤 3，否则执行步骤 4.

3. 经过步骤 2的检查可以确认进程 j可以顺利执行完成，当进程执行完成后释放资源（这里模拟进程执行完成之后释放资源的操作）

   Work[j] = Work[j] + Allocation[i,j]
   Finish[i] = true
   

   转向步骤 2。

4. 如果所有进程的 Finish都是 false说明进程可以按照某个顺序顺利执行完成，即系统处于安全状态；否则说明有一个或多个进程无法顺利执行完成，即系统处于不安全的状态。

在经过足够的执行次数后，最后剩下的 Finish为 false的进程就是发生了死锁的进程。

安全性算法是对进程执行的一种简单模拟，一个进程如果能够顺利执行完，就会释放所占有的资源，其他需要该进程所占有资源的进程最终也能获得所需资源。而如果一个或多个进程之间发生了死锁，那它们最终无法执行完成，即它们互相占有对方需要的资源，从而导致所有剩余进程都不能通过步骤 2中的检查（Need[i]<=Work）。