操作系统 死锁问题

资源分类

1. 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。
2. 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、刻录机、打印机、共享变量等也都属于不可抢占性资源。
3. 可消耗资源
   又称为临时性资源，它是在进程运行期间，由进程动态的创建和消耗的，如进程间通信的消息、信号量等。
4. 不可抢占资源和可消耗资源会导致死锁问题

死锁产生的原因

• 死锁的起因，通常是源于多个进程对不可抢占资源和可消耗资源的争夺，而根本原因就在于系统资源不足
• 通常原因有：

1、进程推进顺序不当产生死锁

场景一（争夺不可抢占资源）：设系统有打印机、读卡机各一台，它们被进程P和Q共享。两个进程并发执行，它们按下列次序请求和释放资源：
进程P 进程Q
请求读卡机 请求打印机
请求打印机 请求读卡机
释放读卡机 释放读卡机
释放打印机 释放打印机
死锁场景：若进程P、Q几乎同时分别请求读卡机、打印机，并获得成功，然后再分别请求打印机与读卡机时，因已无用可用资源而双双陷入等待状态。

场景二（争夺消耗性资源） ：进程Q1和Q2共享两个可再用资源R1和R2。s1和s2分别代表资源R1和R2能否被使用的信号量，由于R1和R2是共享的，必须使用互斥。因而s1和s2的初值为1。假定两个进程都要求使用两个资源，它们的程序如下：

死锁场景：若进程Q1 、 Q2几乎同时分别执行P(s1)、P(s2)请求资源R1、R2，并获得成功，然后再分别P(s2)、P(s1)请求资源R2、R1，因两个资源已经分别分配出去，进程Q1 、 Q2双双陷入等待状态

2、所有进程在等待并不存在的消耗性资源

• 在进程通讯时使用的信件可以看作是一种临时性资源，如果系统中初始条件没有信件，但都一开始都要求接收信件，则可能引起死锁

死锁和资源数量的关系

• 一般情况下，某系统同类资源m个，供n个进程共享。如果每个进程至少申请k个资源，m、n、k满足什么条件，系统就不会发生死锁？
  解：每个人进程先分配k-1个资源，就会先分配掉(k-1)*n个资源，最后再分配一个资源给其中一个进程，这样进程结束释放资源就不会导致死锁。所以有表达式：(k-1)*n+1<=m，只要满足这样的条件，系统就不会发生死锁。

死锁的定义

1. 死锁的定义
   一组进程中的每一个进程，均无限期地等待此组进程中某个其他进程占有的，因而永远无法得到的资源，这种现象称为进程死锁。

2. 产生死锁的必要条件

   • 互斥条件（ mutual exclusion ）：一个资源在同一时刻只能分配给一个进程。任何时刻一个资源仅为一个进程独占，若另一进程请求一个已被占用的资源时，必须等到占用者释放资源。

   • 请求和保持条件(hold-while-applying) ：进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有。

   • 不可抢占条件(non preemption)：进程已获得的资源，在未使用完之前不能被抢占，只能在进程使用完时由自己释放。

   • 循环等待条件(circular wait)：叫环路等待条件，存在一个循环等待链，其中，每一个进程分别等待它前一个进程所持有的资源，造成永远等待

3. 处理死锁的方法

   • 预防死锁（deadlock prevention）：该方法是通过设置某些限制条件，去破坏产生死锁四个必要条件中的一个或几个来预防产生死锁。这种方法是最容易实现的

   • 避免死锁(deadlock avoidance） ：不事先采取各种限制措施，去破坏产生死锁必要条件，而是在资源的动态分配过程中，用某种方法防止系统进入不安全状态，避免发生死锁。

   • 检测死锁（deadlock detection） ：事先不采取任何限制性措施，允许进程在运行过程中发生死锁。但通过检测机构，及时地检测出死锁的发生，并解除死锁。

   • 解除死锁（deadlock recovery） ：当检测到系统中已发生死锁时，就采取相应措施，将进程从死锁状态中解脱出来。常用的方法是撤消一些进程，回收它们的资源，分配给已处于阻塞状态的进程，使其能继续运行。这种方法并发程度最高，资源利用率最高

预防死锁

一、破坏“请求和保持”条件

1. 第一种协议
   一次性申请完在整个运行过程中需要的所有的资源
2. 第二种协议
   先申请初期需要的资源，在运行的时候再逐步释放已经用完的资源，并且申请需要的资源

二、破坏“不可抢占”的条件

• 要求已经保持了某些不可被抢占资源的进程，提出新的资源请求而不能得到满足时，它必须释放已经保持的所有资源，待以后需要时再重新申请。从而破坏了“不可抢占”条件。

三、破坏“循环等待”的条件

• 有序的资源分配法：在这种方法中规定，系统将所有的资源按其类型进行线性排队，并赋予不同的序号。所有进程对资源的请求必须严格按资源序号递增的次序提出，如果出现已经获得高次序的资源但是想要申请低序号的资源的时候，就要先释放掉所有高次序资源和同等级资源，才能重新申请资源。这样，在所形成的资源分配图中，不可能再出现环路，因而摒弃了“循环等待”条件

避免死锁——银行家算法

一、安全状态

• 安全状态：如果系统中存在一种执行路径，使可用的系统资源能满足所有进程的资源请求得到满足，从而顺利结束，称系统处于安全状态，这个执行路径中，各进程依次顺利结束的顺序称为安全序列。

• 处于安全状态的系统一定是不会发生死锁的

二、银行家算法

当一个进程提出资源请求时，银行家算法要做的工作其要点是：
①判断有无实施资源分配的可能。如果系统有能力，则实施预分配。
②预分配。
③判断分配后系统是否安全，若安全，则真正实施分配。

举例说明：

假定系统有五个进程p0-p4，和三类资源A\B\C，各类资源的数量分别是10、5、7，在t0时刻的时候资源分配的情况如下：

（1）t0时刻的安全性：利用安全性算法对t0时刻的资源分配进行分析，看是否安全
解：由题，存在一个安全序列{p1,p3,p4,p2,p0}，所以系统是安全的（看图）

（2）p1请求资源{1,0，2}
假设给p1分配资源，用银行家算法进行检查：

• p1请求资源{1,0，2}＜需要的资源{1,2，2}——因为不能超过总量max
• p1请求资源{1,0，2}＜可用资源{3,3，2}——如果多于这个量就不应该分配资源，而是p1进入等待。
• 假定系统给p1分配资源，使用银行家算法实现：
  这个时候的资源分配图如下：
  
  这个时候的安全性检查如下：
  
  所以这个系统是安全的，可以立即给p1分配资源

死锁检测

1. 资源分配图
   该图是由一组结点N，和一组边E所组成的一个对偶G=（N，E），它具有下述形式的定义和限制：
2. 死锁定理
   我们可以利用把资源分配图加以简化的方法（删去与死锁无关的进程、资源及资源分配请求关系），来检测当系统处于S状态时，是否为死锁状态。（s状态：所有耳朵节点都是孤立的）
3. 简化方法

• 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，Pi可获得所需资源而继续运行，直至运行完毕，再释放其所占有的全部资源，这相当于消去pi的请求边和分配边，使之成为孤立的结点。在图（a）中，将p1的两个分配边和一个请求边消去，便形成图（b）所示的情况。
• p1释放资源后，便可使p2获得资源而继续运行，直至p2完成后又释放出它所占有的全部资源，形成图（c）所示的情况。
• 在进行一系列的简化后，若能消去图中所有的边，使所有的进程结点都成为孤立结点，则称该图是可完全简化的；若不能通过任何过程使该图完全简化，则称该图是不可完全简化的。
  S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。该充分条件被称为死锁定理。