操作系统学习笔记（七）－－ 死锁

最近开始学习操作系统原理这门课程，特将学习笔记整理成技术博客的形式发表，希望能给大家的操作系统学习带来帮助。同时盼望大家能对文章评论，大家一起多多交流，共同进步！

本文主要分以下几个方面：

• 系统模型(System Model)
• 死锁特征(Deadlock Characterization)
• 死锁的处理方式
  • 死锁的预防(Deadlock Prevention) －－ 设计无锁系统
  • 死锁的避免(Deadlock Avoidance)
  • 死锁的监测(Deadlock Detection)
  • 从死锁状态恢复(Recovery from Deadlock)

死锁的定义：两个或两个以上进程由于竞争资源而导致系统无法推进，则称系统所处的状态为死锁。死锁为一种僵局。

举例：

　　系统有两个磁带设备（慢速设备，临界资源）

　　P1,P2各持有一个磁带设备并需要另一个

　　信号量A或B，初始化为1。

P0:                              P1:
wait(A);                       wait(B);
wait(B);                       wait(A);

 下图为死锁的示意图：

死锁产生原因：

1. 资源相对不足；
2. 进程推进的次序不合理

 必要条件：

1. 互斥条件 Mutex exclustion：对资源的使用只能互斥不能共享
2. 占有并等待 Hold and wait
3. 非抢占／非剥夺 No preemption
4. 循环等待／环路等待 Circular wait：系统对资源的申请和使用构成环路

故死锁为系统的一种可能性。

系统模型(System Model)

系统资源：R1,R2,...,Rm

　　　　　　CPU cycles, memory space, I/O device

每一个资源类型Ri都有Wi个实例。

每一个进程使用资源必须遵从：请求->使用->释放 的次序。

资源分配图(Resource-Allocation Graph)

一个由节点V和边E组成的集合

V可以分为两部分:

• P={P1,P2,...,Pn}，系统进程构成的集合；
• R={R1,R2,...,Rn}，系统资源构成的集合。

请求边：有向边 Pi -> Rj

分配遍：有向边 Rj -> Pi

资源分配图举例：该资源分配图未构成死锁，因没有环路

死锁的基本事实：

• 一个图不构成环路  ->  不构成死锁
• 图包含一个回路  ->
  • 如果每个资源只有一个实例，则构成死锁
  • 如果每个资源有不止一个实例，则有可能构成死锁

对待死锁的处理态度：

1. 确保系统永远不会进入死锁状态
2. 允许系统进入死锁状态，并处理死锁
3. 忽略死锁问题并假定系统永不发生死锁

死锁的预防(Deadlock Prevention)

破坏死锁的四个必要条件之一，构建一个无死锁系统：互斥和非抢占无法破坏，可破坏占有并等待，即使用一次性资源分配法，缺点为资源浪费严重；可破坏环路等待，即使用有序资源使用法，经所有资源编号，只能按资源编号顺序申请

死锁的避免(DeadLock Avoidance)

执行一个死锁的避免算法来确保不会发生环路等待：银行家算法

每个进程声明美中类型资源的最大需求量，动态监测。

当一个进程请求一个可用资源时，系统必须确定分配该资源后系统是否处于安全状态。

安全状态：当所有进程都能存在安全序列时系统处于安全状态。

安全序列：即系统可以通过该序列合法调度所有进程。

银行家算法：

• 多实例
• 每一个进程预先声明最大的资源需求量
• 一个进程申请资源时可能等待
• 完成后释放资源

银行家算法的数据结构：

Available：m阶的数组，Available[j]=k表示j类资源还有k个；

Max: n＊m的矩阵，Max[i,j]=k表示Pi类进程申请Rj类资源最多k个；

Allocation：n*m的矩阵，Allocation[i,j]=k表示Pi类进程已经占用Rj类资源k个；

Need：n*m的矩阵，Need[i,j]=k表示Pi类进程还需Rj资源k个　　Need[i,j]=Max[i,j]-Allocation[i,j]

安全性算法：

1. 假设Work和Finish为两个m维和n维的工作向量，初始化：Work:=Availble　　Finish:=false for i = 1,2,...,n
2. 找满足以下条件：(a)Finish[i]=false; (b)Needi <= work; If no such i exists, go to step 4
3. Work:= Work + Allocation; Finish[i]:=true; go to step 2
4. If Finish[i]=true for all i, then the system is in a safe state

算法的主题过程

Requesti = request vector for process Pi. If requesti[j]=k then process Pi wants k instance of resource type Rj.

1. 合理性检查 If requesti <= Needi go to step 2; otherwise, raise error condition.

2. 预分配 If requesti <= Available, go to step 3; otherwise Pi must wait

3. 安全性检测

If safe => the resources are allocated to Pi

If unsafe => Pi must wait, and the old resource-allocation state is stored

死锁检测(Deadlock Detection)

• 允许系统进入死锁状态
• 检测算法
• 恢复机制

Maintain wait-for graph

• 节点为进程
• Pi->Pj表明Pi在等待Pj

系统周期性的调用算法判断图中是否有环路。

其过程(Available, Allocation, Request)类似于银行家算法。

调用该检测算法的频度和时间：

1. 死锁发生的频率
2. 有多少进程需要回滚

若检测方法被随意调度，则可能会出现多个环路，即多个进程进入危险区。

死锁的恢复(Detection Algorithm)

终止进程：可能会导致时间浪费或进程同步间的问题

　　终止在死锁状态的所有进程

　　每次终止一个进程知道死锁环路消除

选择终止的进程次序：

1. 进程已运行时间和预计还需运行时间
2. 优先级
3. 进程已经使用的资源
4. 进程完成还需使用的资源
5. 解除死锁需要终止进程的数量
6. 进程为交互性的还是批处理的

剥夺资源(Resource Preemption)

以最小成本寻找进程的牺牲者。

回滚：回退到某个安全时刻，在该进程重启进程

饥饿：有一些进程可能永远被选作牺牲者