操作系统 死锁和死锁处理策略

前言

死锁的概念

死锁产生的四个必要条件

互斥条件 && 不剥夺条件 && 请求和保持条件 && 循环等待条件；

• 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；

• 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；

• 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用，此时请求进程被阻塞，但又对自己已有的资源保持不放；

• 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；

什么时候会发生死锁

对不可剥夺资源的不合理分配，可能导致死锁。

• 对系统资源的竞争：
  各进程对不可剥夺的资源的竞争可能引起死锁；

• 进程的推进顺序非法：
  请求和释放资源的顺序不当可能引起死锁；

• 信 量的使用不当也会造成死锁：

死锁的处理策略；

破坏互斥条件：

把只能互斥使用的资源改造成允许共享使用(比如SPOOLing技术)，则系统不会进入死锁状态。

缺点：并不是所有的资源都可以改造成共享使用的资源，并且为了系统安全，很多地方还必须保护这种互斥性。

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，等待以后需要的时候再重新申请，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；

• 方案二：
  当某个进程需要的资源被其它进程占用时，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，如剥夺调度方式，就是将CPU强行剥夺给优先级更高的进程使用；

• 缺点：
  实现起来比较复杂；
  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易恢复的资源，如PCB；
  反复的申请和释放资源会增加系统开销，降低系统吞吐量；
  若采用方案一，一个进程得不到资源会释放所有资源，若一直这样进行下去，可能会导致发生进程饥饿。

破坏请求和保持条件

• 采用静态分配方法：
  即进程在运行前一次行申请完它所需要的全部资源，在它的资源未满足前，不让它开始运行，一旦运行后，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：
  有些资源可能需要用的时间很短，但该进程一直持有所有资源，导致资源利用率低；
  可能会导致别的进程饥饿。

破坏循环等待条件

• 顺序资源分配法：
  给系统中的资源编 ，规定每个进程必须按编 递增的顺序请求资源，同类资源(编 相同的资源)一次申请完；
  一个进程只有占有小编 的资源时，才有资格去申请更大编 的资源，已持有大编 资源的进程不可能逆向的回来申请小编 的资源，从而就不会产生循环等待现象。

• 缺点：
  不方便增加新的设备，因为可能要重新分配所有编 ；
  进程实际使用资源的顺序可能和编 递增顺序不一致，会导致资源浪费；
  必须按照规定的次序申请资源，用户编程麻烦；

避免死锁

银行家算法。

• 安全序列：
  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。

• 在资源分配前就要保证分配后是安全状态：
  如果分配了资源后，系统找不出任何一个安全序列，那么系统就进入了不安全状态，即之后可能所有进程都无法顺利的执行下去了。当然，如果有进程提前归还了一些资源，那系统也有可能重新回到安全状态。
  如果系统处于安全状态，就一定不会发生死锁；如果系统进入不安全状态，就可能发生死锁；发生死锁则系统一定是不安全状态；

• 银行家算法核心思想：
  在进程踢出资源申请时，就预先判断这次分配是否会导致系统进入不安全状态，如果会，就按时不答应这次请求，让该进程先阻塞等待；

• 银行家算法步骤：
  检查此次申请是否超过了之前声明的最大需求数；
  检查此时系统剩余的可用资源是否还能满足这次请求；
  试探着分配，更改各数据结构；
  用安全性算法检查此次分配是否会导致系统进入不安全状态；

• 安全性算法步骤：
  检查当前剩余可用资源是否能满足某个进程的最大需求，如果可以，就把该进程加入安全序列，并把该进程持有的资源全部回收；
  不断重复上述过程，看系统是否能让所有进程都加入安全序列。

死锁的检测和解除

• 资源分配图：
  用资源分配图这种图数据结构来表达资源的请求和分配信息。

• 资源分配图数据结构：
  进程结点：对应一个进程；
  资源结点：对应一类资源，一类资源可能有多个；
  进程结点 -> 资源结点：请求边，表示进程想申请几个资源；
  资源结点 -> 进程结点：分配边，表示已经为进程分配了几个资源；

• 不阻塞进程：
  是指其申请的资源数还是足够的 的进程；

• 可完全简化的：
  在资源分配图中，找不既不阻塞又不是孤点的进程P1，消除他的所有请求边和分配变，使之成为孤点；
  进程P1梭释放的资源，唤醒其它的进程，按照上述步骤再次排除是否是孤点。
  经过一系列简化后，若能消除图中所有的边，则称该图是可完全简化的。

• 死锁检测算法：
  依次消除与不阻塞进程相连的边，直到无边可消；

• 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。

• 死锁的进程：
  在资源分配图简化后，还连着边的进程就是死锁进程。

• 可完全简化的图，则一定没有发生死锁；如果最终不能消除所有边，就一定发生了死锁；

死锁的解除

一旦检测出死锁，就应该立即解除。

• 解除死锁的主要方法有：

  • 资源剥夺法：
    挂起某些死锁的进程，并抢占它的资源，将这些资源分配给其他死锁的进程；但应防止被挂起的进程长时间得不到资源而饥饿；
  • 撤销进程法(终止进程法)：
    强制撤销部分、甚至全部进程，并剥夺这些进程的资源；实现简单，但付出的代价可能会很大，因为有些进程可能已经快运行完了，结果被终止了，还得重头再来；
  • 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；这就要求操作系统要记录进程的历史信息，设置还原点；

• 如何决定对哪个进程动手呢：
  进程优先级；
  进程已经执行了多长时间；
  进程还有多久能完成；
  进程已经使用了多少资源；
  进程是交互式的还是批处理式的；