第 7 章 死锁

　　死锁：如果所申请的资源被其他等待进程占有，那么该等待进程有可能再也无法改变状态。

7.1 死锁特征

7.1.1 必要条件

　　如果一个系统中以下四个条件同时成立，那么就能引起死锁。

• 互斥：至少有一个资源必须处于非共享模式，即一次只有一个进程可使用。如果另一个进程申请该资源，那么申请进程应等到该资源释放为止。
• 占有并等待：一个进程应占有至少一个资源，并等待另一个资源，而该资源为其他进程所占有。
• 非抢占：资源不能被抢占，即资源只能被进程在完成任务后自愿释放。
• 循环等待：有一组等待进程{P0，P1，...，Pn}，P0等待的资源被P1占有，P1等待的资源被P2占有，...，Pn-1等待的资源被Pn占有，Pn等待的资源被P0占有。

7.1.2 资源分配图

　　　　　　　　　　

　　P1 -->R1表示申请边，R1 --> P2表示分配边。

　　如果资源分配图没有环，那么系统就不处于死锁状态。如果有环，那么系统可能会也可能不会处于死锁状态。

7.2 死锁处理方法

　　一般来说，处理死锁问题有三种方法：

• 通过协议来预防或避免死锁，确保系统不会进入死锁状态。
• 可以允许系统进入死锁系统，然后检测它，并加以恢复。
• 可以忽视这个问题，认为死锁不可能在系统内发生。

　　第三种方法被大多数操作系统所采用，包括Linux和Windows。

死锁预防

　　确保至少有一个必要条件不成立。这些方法通过限制如何申请资源的方法来预防死锁。缺点是设备利用率低和系统吞吐量低。

死锁避免

　　要求操作系统实现得到有关进程申请资源和使用资源的额外信息。

7.3 死锁避免

　　最简单且最有用的模型要求，每个进程都应声明可能需要的每种类型资源的最大数量。

7.3.1 安全状态

　　如果系统能按照一定顺序为每个进程分配资源（不超过它的最大需求），仍然避免死锁，那么系统的状态就是安全的。更正式的说，只有存在一个安全序列，系统才处于安全状态。

　　安全状态不是死锁状态，相反，死锁状态是非安全状态。不是所有的非安全状态都能导致死锁。

7.3.2 资源分配图算法

　　如果有一个资源分配系统，它的每种资源类型只有一个实例。

　　引入需求边，用虚线表示。Pi ---> Rj 表示进程Pi 可能在将来的某个时刻申请资源Rj。系统资源的需求应事先说明。

　　采用环检查算法，复杂度O（N²）。

　　　　　　　　

 

 7.3.3 银行家算法

　　对于每种资源类型有多个实例的资源分配系统，资源分配图算法就不适用了。

　　当一个新的进程进入系统时，它应声明可能需要的每种类型资源实例的最大数量，这个数量不能超过系统资源的总和。当用户申请一组资源时，系统应确定这些资源的分配是否仍会使系统处于安全状态。如果会，就可以分配资源；否则，进程应该等待，直到某个其他进程释放足够多的资源为止。

　　数据结构：n为系统进程的数量，m为资源类型的种类

• Available：表示每种资源的可用实例数量，长度为m的向量
• Max：定义每个进程的最大需求，n*m的矩阵，Max[ i ][ j ] 表示进程Pi最多可申请资源类型Rj的k个实例 
• Allocation：定义每个进程现在已分配的每种资源类型的实例数量，n*m的矩阵，Allocation[ i ][ j ] 表示进程Pi已经分配了资源类型Rj的k个实例 
• Need：表示每个进程还需要的剩余资源，n*m的矩阵，Need[ i ][ j ] 表示进程Pi还可能申请资源类型Rj的k个实例 

　　当一个进程申请使用资源时，银行家算法通过先试探分配给该进程资源，然后通过安全性算法判断分配后的系统是否处于安全状态，若不安全，则试探分配作废，让该进程继续等待。

安全算法

　　1. 初始化 Work = Allocation 和 Finish[ i ]  = false。

　　2. while ( true ){

　　　　if ( 能找到 i 使其满足：a. Finish[ i ] == false  &&  b.Needi <= Work ) {

　　　　　　Work = Work + Allocition _i ;

　　　　　　Finish [ i ] = true;

　　　　}

　　　　else 

　　　　　　exit();

　　}

　　3. 如果所有Finish [ i ] = true,那么系统处于安全状态。

示例说明 

　　　　　　　　

 资源请求算法

　　设 Request_i 为进程 P_i 的请求向量。如果 Request[ j ] == k ，那么进程 P_i 需要资源类型 Rj 的实例数量为 k 。当进程做出这一请求时，采取以下动作：

　　1. 如果 Request_i ≤ Need_i ,进行下一步，否则产生出错条件，因为进程 Pi 已超过了其最大需求。

　　2.如果 Request_i ≤ Available，进行下一步，否则， P_i应该等待，这是因为没有资源可用。

　　3.假定系统可以分配给进程P请求的资源，并按如下方法修改状态：

　　　　　　Available = Available - Request_i

　　　　　　Allocation_i = Allocation_i + Request_i

　　　　　　Need_i = Need_i - Request_i

　　如果新的资源分配状态是安全的，那么交易完成且P可分配到需要的资源。然而，如果新的状态不安全，那么进程 P_i 应等待 Request_i 并恢复到原来的资源分配状态。

7.4 死锁检测

　　...

7.5 死锁恢复

　　当检测算法确定已有死锁时，可以通知管理员死锁发生，人工处理。也可以让系统自动恢复。打破死锁的两种选择：简单地中止一个或多个进程来打破循环等待；从一个或多个死锁进程那里抢占一个或多个资源。

7.5.1 进程中止

• 中止所有死锁进程
• 一次中止一个进程，直到消除死循环为止

7.5.2 资源抢占

　　不断地抢占一些进程的资源以便给其他进程使用，直到死锁循环被打破。但要处理三个问题：

• 选择牺牲进程
• 回滚
• 饥饿