鸿蒙初辟原无姓 打破顽空须悟空 之 再探死锁
死锁形成的必要条件详解
死锁是并发系统中的一个常见问题,其发生需要同时满足四个必要条件。这些条件被称为Coffman条件,以计算机科学家Edward G. Coffman Jr.的名字命名。理解这些条件对于预防和解决死锁问题至关重要。
1. 互斥条件 (Mutual Exclusion)
定义
至少有一个资源必须处于非共享模式,即一次只能被一个进程使用。
详细解释
- 互斥意味着资源在同一时间只能被一个进程占用。
- 这种资源通常是不可同时共享的,如打印机、数据库的写锁等。
- 如果一个资源可以被多个进程同时使用,那么就不会因为这个资源而产生死锁。
例子
-
数据库锁:
当一个事务获取了一个表的写锁时,其他事务就无法修改该表,直到锁被释放。 -
打印机使用:
一台打印机同一时间只能被一个进程使用来打印文档。 -
临界区访问:
在多线程编程中,对共享内存的访问通常需要通过互斥锁来保证互斥性。
public class SharedResource {
private final Object lock = new Object();
public void accessResource() {
synchronized(lock) {
// 访问共享资源
}
}
}
2. 占有并等待条件 (Hold and Wait)
定义
一个进程必须正持有至少一个资源,并同时等待获取其他进程所持有的额外资源。
详细解释
- 这个条件描述了一种资源分配的状态。
- 进程在获得一些资源的同时,还在等待其他资源。
- 这种情况可能导致资源无法被充分利用,因为某些资源被占用但并未被使用。
例子
-
数据库事务:
一个事务获取了表A的锁,然后尝试获取表B的锁,但表B的锁被另一个事务持有。 -
多线程编程:
线程1持有资源A,正在等待获取资源B;而线程2持有资源B,正在等待获取资源A。
def process1():
lock_A.acquire()
# 使用资源A
lock_B.acquire() # 可能在这里等待
# 使用资源B
lock_B.release()
lock_A.release()
def process2():
lock_B.acquire()
# 使用资源B
lock_A.acquire() # 可能在这里等待
# 使用资源A
lock_A.release()
lock_B.release()
3. 非抢占条件 (No Preemption)
定义
资源不能被强制从一个进程中抢占,只能由持有资源的进程自愿释放。
详细解释
- 一旦一个进程获得了资源,就只能由该进程自己决定何时释放。
- 其他进程无法强制获取已被占用的资源。
- 这个条件保护了进程不会在关键操作中被中断,但也增加了死锁的风险。
例子
-
CPU调度:
在非抢占式调度中,一旦进程开始运行,就会一直运行直到它自愿放弃CPU或完成任务。 -
文件系统操作:
当一个进程正在写入文件时,其他进程通常不能强制中断这个操作。 -
数据库锁:
在某些数据库系统中,一旦事务获得锁,就会保持到事务结束,除非事务自己选择释放。
BEGIN TRANSACTION;
UPDATE accounts SET balance = balance - 100 WHERE id = 1;
-- 在这个点上,其他事务不能强制获取这个锁
UPDATE accounts SET balance = balance + 100 WHERE id = 2;
COMMIT;
4. 循环等待条件 (Circular Wait)
定义
必须存在一个封闭的进程链,其中每个进程至少持有一个资源,而这个资源正被链中下一个进程所需要。
详细解释
- 这是死锁形成的最后一个也是最关键的条件。
- 它描述了一种资源依赖的循环,每个进程都在等待下一个进程释放资源。
- 这个循环可以涉及两个或更多的进程。
例子
-
经典的哲学家就餐问题:
五个哲学家坐在圆桌旁,每人之间有一根筷子。每个哲学家需要两根筷子才能吃饭。如果每个哲学家都拿起左边的筷子并等待右边的筷子,就会形成一个循环等待。 -
多数据库操作:
事务A锁定了表1并请求表2的锁,事务B锁定了表2并请求表3的锁,事务C锁定了表3并请求表1的锁。 -
资源分配图:
在系统资源分配中,可以用图来表示资源的分配和请求,循环等待会在图中形成一个闭环。
Process1 -> Resource1 -> Process2 -> Resource2 -> Process3 -> Resource3 -> Process1
预防死锁
理解这四个条件对于预防死锁至关重要。预防死锁的策略通常围绕打破这些条件中的一个或多个：
- 破坏互斥条件：设计可共享的资源。
- 破坏占有并等待条件：要求进程一次性申请所有需要的资源。
- 破坏非抢占条件：允许资源在某些情况下被强制回收。
- 破坏循环等待条件：对资源进行全局编号,按顺序申请资源。
结论
死锁的形成需要这四个条件同时满足。理解这些条件不仅有助于识别潜在的死锁情况,还为设计防止死锁的策略提供了理论基础。在实际系统设计中,常常通过预防其中一个或多个条件的发生来避免死锁。
这个详细的解释涵盖了死锁形成的四个必要条件,每个条件都包含了定义、详细解释和具体例子。以下是一些关键点的总结：
-
互斥条件：强调了资源不能被同时共享的特性,这是许多计算机资源的基本特性。
-
占有并等待条件：展示了资源分配中的一种常见模式,这种模式可能导致资源利用不充分。
-
非抢占条件：解释了为什么有时候系统无法自动解决死锁,因为资源不能被强制回收。
-
循环等待条件：这是死锁形成的核心条件,也是最复杂的一个。理解这个条件对于设计避免死锁的策略特别重要。
-
预防策略：每个条件的解释后都提供了相应的预防策略,这些策略直接针对各个条件的特性。
-
实际例子：每个条件都配有多个实际的编程或系统设计中的例子,这有助于理解这些概念在实践中的应用。
理解这些条件对于系统设计者和程序员来说非常重要,因为它们提供了分析和预防死锁的理论基础。在实际应用中,通常会采取措施来预防一个或多个条件的发生,从而避免死锁。
如果您对任何特定的条件或例子需要更深入的解释,或者想了解更多关于如何在实际系统中应用这些知识,请随时告诉我。我很乐意提供更多信息或讨论具体的应用场景。
死锁形成后如何打破死锁?
当然,我会更详细地解释死锁的解除过程。
- 检测死锁:
死锁检测是解除死锁的第一步,也是最关键的步骤之一。常用的检测方法包括:
a) 资源分配图(Resource Allocation Graph, RAG):
- 用图形化方式表示进程和资源之间的关系。
- 如果图中存在环,则表示存在死锁。
b) 等待图(Wait-for Graph):
- 资源分配图的简化版,只关注进程之间的等待关系。
- 同样,环的存在表示死锁。
c) 超时检测:
- 设置一个时间阈值,如果进程等待资源的时间超过这个阈值,就认为可能发生了死锁。
- 这种方法简单但可能产生误报。
- 识别涉及的进程和资源:
一旦检测到死锁,下一步是确定哪些进程和资源卷入其中。这通常通过分析资源分配图或等待图来完成。我们需要识别:
- 死锁进程:参与死锁循环的所有进程。
- 死锁资源:被这些进程持有和请求的资源。
- 打破死锁循环:
这是解除死锁的核心步骤。有几种主要策略:
a) 进程终止:
- 终止所有死锁进程:简单但代价高。
- 逐个终止进程:从影响最小的进程开始,直到死锁解除。
- 优点:实现简单,能快速解除死锁。
- 缺点:可能导致重要进程的工作丢失。
b) 资源抢占:
- 从一个进程中强制回收资源,分配给另一个进程。
- 选择抢占对象时考虑因素:进程优先级、已完成的工作量、需要的剩余资源等。
- 优点:可能比终止进程造成的损失更小。
- 缺点:实现复杂,可能需要回滚机制。
c) 进程回滚:
- 将进程回滚到之前的安全检查点。
- 需要系统定期保存进程状态。
- 优点:能保留部分工作成果。
- 缺点:实现复杂,额外的存储和性能开销。
- 恢复系统:
解除死锁后,需要恢复系统正常运行:
- 重启被终止的进程。
- 恢复被抢占资源的进程。
- 从检查点重新开始回滚的进程。
- 重新分配资源,确保不会立即再次陷入死锁。
- 预防未来死锁:
解除当前死锁后,应采取措施防止类似情况再次发生:
- 分析死锁原因,可能是资源分配策略不当、进程请求资源的顺序问题等。
- 实施死锁预防策略,如资源有序分配、一次性申请所有资源等。
- 改进资源分配算法,如使用银行家算法保证安全状态。
- 增强系统监控,及早发现潜在的死锁风险。
实施哪种解除死锁的方法取决于多种因素:
- 系统类型(批处理、实时系统等)
- 死锁频率和严重程度
- 可接受的性能影响和数据丢失程度
- 实现的复杂度和成本
在实际应用中,可能会结合使用多种方法。例如,先尝试资源抢占,如果失败则进行进程终止。