死锁相关概念

死锁的概念

在并发环境下,各进程因竞争资源而造成的一种互相等待对方手里的资源,导致各进程都阻塞,都无法向前推进的现象,就是“死锁”。(死锁进程一定处于阻塞态)

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。

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。比如:在短进程优先(SPF)算法

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。

可能只有一个进程发生死循环。死循环的进程可以上处理机运行(可以是运行态),只不过无法像期待的那样顺利推进。死锁和饥饿问题是由于操作系统分配资源的策略不合理导致的,而死循环是由代码逻辑的错误导致的。死锁和饥饿是管理者(操作系统)的问题,死循环是被管理者的问题。

死锁产生的必要条件

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)。

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。

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

4.循环等待条件

存在一种进程资源的循环等待链,链中的每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求。

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

发生死锁的原因

1. 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

2. 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。

3. 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)

死锁的处理策略

不允许死锁发生

静态策略:预防死锁

破坏死锁产生的四个必要条件中的一个或几个。

动态策略: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(银行家算法)

允许死锁发生

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。

死锁预防:

1.破坏互斥条件

  如果把只能互斥使用的资源改造为允许共享使用,则系统不会进入死锁状态。比如: SPOOLing技术 互斥改共享

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.破坏不剥夺条件

方案一:当某个进程请求新的资源得不到满足时,它必须立即释放保持的所有资源,待以后需要时再重新申请。也就是说,即使某些资源尚未使用完,也需要主动释放,从而破坏了不可剥夺条件。----------------少了一个就全丢

缺点:会饥饿

方案二:当某个进程需要的资源被其他进程所占有的时候,可以由操作系统协助,将想要的资源强行剥夺。这种方式一般需要考虑各进程的优先级(比如:剥夺调度方式,就是将处理机资源强行剥夺给优先级更高的进程使用)-----------------优先级高的抢低的资源

缺点

1. 实现起来比较复杂。

2. 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。

3. 反复地申请和释放资源会增加系统开销,降低系统吞吐量

4. 若采用方案一,意味着只要暂时得不到某个资源,之前获得的那些资源就都需要放弃,以后再重新申请。如果一直发生这样的情况,就会导致进程饥饿。

3.破坏请求和保持条件

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。

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。

也可以对静态分配进行改进,允许一个进程只获得运行初期所需的资源后,便开始运行

4.破坏循环等待条件

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。

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。

死锁的避免

系统安全状态

安全序列

所谓安全序列,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。

不安全状态

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

如果系统处于安全状态,就一定不会发生死锁

安全一定无死锁

如果系统进入不安全状就未必就是发生了死锁,但发生死锁时一定是在不安全状态

不安全未必死锁

死锁相关概念_第1张图片

 

1.银行家算法

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。(银行家算法只能看安不安全,不能判断是不是死锁)

数据结构描述,算法描述

安全性算法

死锁检测和解除

资源分配图

简化资源分配图

检测死锁的算法—— 简化资源分配图的方法

死锁定理

死锁定理:如果某时刻系统的资源分配图是不可完全简化的,那么此时系统死锁

补充:并不是系统中所有的进程都是死锁状态,用死锁检测算法化简资源分配图后,还连着边的 那些进程就是死锁进

死锁的解除

1. 资源剥夺法

挂起(暂时放到外存上)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。但是应防止被挂起的进程长时间得不到资源而饥饿。

2. 撤销进程法 (或称终止进程法)

强制撤销部分、甚至全部死锁进程,并剥夺这些进程的资源。这种方式的优点是实现简单,但所付出的代价可能会很大。因为有些进程可能已经运行了很长时间,已经接近结束了,一旦被终止可谓功亏一篑,以后还得从头再来。

3. 进程回退法

让一个或多个死锁进程回退到足以避免死锁的地步。这就要求系统要记录进程的历史信息,设置还原点。

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