死锁的概念

死锁、饥饿、死循环的区别与联系

• 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）算法中，若有源源不断的短进程到来，则长进程将一直得不到处理机，从而发生长进程“饥饿”。）

• 死循环：某进程执行过程中一直跳不出某个循环的现象。优势是因为程序逻辑bug，有时是程序员故意设计的。

死锁产生的必要条件

• 互斥条件（竞争）：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）。像内存、扬声器这样可以同时让多个进程使用的资源是不会导致死锁的（因为进程不用阻塞等待这种资源）。

• 不剥夺条件（不抢）：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（不给）：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。

• 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。

注意：发生死锁时一定有循环等待，但是发生循环等待时未必发生死锁循环等待是死锁的必要不充分条件）。

如果同类资源数大于1，则即使有循环等待，也未必发生死锁。但如果系统中每类资源都只有一个，那循环等待就是死锁的充分必要条件了。

死锁产生的原因

1. （空间）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. （时间）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

1. 预防死锁。破坏死锁产生的四个必要条件中的一个或几个。

2. 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）

3. 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。

预防死锁【静态策略】

预防死锁的发生只需要破坏死锁产生的4个必要条件之一即可。

1.破坏互斥条件（能否共享）

2.破坏不剥夺条件

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

4.破坏循环等待条件

1. 不方便增加新的设备，因为可能需要重新分配所有的编号；

2. 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；

3. 必须按规定次序申请资源，用户编程麻烦。

避免死锁【动态策略】

系统安全状态

银行家算法

• 可利用资源向量 Available：含有 m 个元素，其中每个元素代表一类可利用的资源数目

• 最大需求矩阵 Max：是个 n*m 矩阵，代表系统中 n 个进程，每个进程对 m 类资源的最大需求量

• 分配矩阵 Allocation：是个 n*m 矩阵，代表系统中每类资源当前分配给每个进程的资源数

• 需求矩阵 Need：是个 n*m 矩阵，代表系统中每个进程尚需的各类资源数

1. 若 Request i [j] ≤ Need[i,j]，则转向2；否则出错，进程需要的资源数超过其宣布的最大值

2. 若 Request i [j] ≤ Available[j]，转向3；否则尚无足够资源，Pi 须等待

3. 系统试探着把资源分配给进程 Pi，并修改数据结构中的数值
• Available[j] -= Requesti[j]
• Allocation[i,j] += Requesti[j]
• Need[i,j] -= Requesti[j]

4. 系统执行安全性算法，检查此次资源分配后系统是否处于安全状态，若安全，则系统正式把资源分配给进程 Pi；否则本次试探作废，恢复数据结构中的数值

1. 设置两个向量
• 工作向量 Work：含有 m 个元素，表示系统可提供给进程继续运行所需的各类资源数目，执行安全算法开始时，Work=Available
• Finish：表示系统是否有足够的资源分配给进程，初始值为 false，当有足够资源分配给进程时，令 Finish[i] = true

2. 从进程集合中找到一个满足一下条件的进程
• Finish[i] = false
• Need[i,j] ≤ Work[i]
若找到，则执行3；否则执行4

3. 当 Pi 进程获得资源并顺利执行至完成，释放出分配给它的资源，故执行
• Work[j] = Work[j] + Allocation[i,j]
• Finish[i] = true
• 转到2

4. 若所有进程的 Finish[i] = true 都满足，则系统处于安全状态；否则系统处于不安全状态

死锁检测

1. 用某种数据结构来保存资源的请求和分配信息

2. 提供一套算法，利用上述信息来检测系统是否已经进入死锁状态

1. 在资源分配图中，找出既不阻塞又不是孤点的进程 Pi（即找出一条有向边与它相连，且该有向边对应资源的申请数量小于等于系统中已有空闲资源数量。如下图中，R1 没有空闲资源，R2 有一个空闲资源。若所有的连接该进程的边均满足上述条件，则这个进程能继续运行直至完成，然后释放它所占有的所有资源）。消去它所有的请求边和分配变，使之称为孤立的结点。在下图中，P1 是满足这一条件的进程结点，于是将 P1 的所有边消去

2. 进程 Pi 所释放的资源，可以唤醒某些因等待这些资源而阻塞的进程，原来的阻塞进程可能变为非阻塞进程。在下图中，P2 就满足这样的条件。根据 1 中的方法进行一系列简化后，若能消去途中所有的边，则称该图是可完全简化的

死锁解除

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