操作系统学习笔记（七） 死锁

一、资源

把需要排他性使用的对象称为资源。资源可以是硬件也可以是软件，比如打印机或者数据库中的一个加锁记录。

资源可以分为两类：可抢占资源和不可抢占资源。

可抢占资源：可以从拥有它的进程中抢占而不产生副作用。

不可抢占资源：不引起相关的计算失败的情况下，无法把它从占有它的进程处抢占过来。

抢占这个词，在进程和线程调度时就提到了这个概念，那时是进程或者线程可以抢占CPU，即抢占式调度。存储器也可以抢占，如内存换页。

一般来说，可抢占资源不会引起死锁，可以在进程间重新分配资源而得到解决。

二、死锁

死锁的概念：如果一个进程集合中，每个进程都在等待只能由该集合中其他进程才能引发的事件，那么该进程集合就是死锁的。

死锁并不仅仅发生在资源上，资源死锁只是一种。

资源死锁的四个必要条件：

（1）互斥条件。每个资源要么已经分配给了一个进程，要么就是可用的。

（2）占有和等待条件。已经得到了某个资源的进程可以再请求新的资源。

（3）不可抢占条件。已经分配给一个进程的资源不能被抢占，只能由占有它的进程显式地释放。

（4）环路等待条件。死锁发生时，系统中一定有由两个或以上的进程组成的一条环路，该环路中的每个进程都在等待着下一个进程所占有的资源。

可以用一个有向图来表示资源分配的情况。用圆形节点表示进程，方形表示资源。从资源节点到进程节点的有向边表示该资源被请求、并被进程占用。由进程到资源节点的有向边表示进程正在请求该资源，并且因为请求资源而导致进程被阻塞，处于等待该资源的状态。

这样，根据环路等待条件，一旦在某个时候有向图中出现了两个或两个以上进程组成的环路，就会导致死锁的发生。

下图是《现代操作系统》中的一个例子：

现在有三个进程A、B、C，它们需要R、S、T三个资源中的其中两个，具体参见图上方的信息。操作系统可以选取任意一个就绪的进程执行。

我们可以看到，在第一种执行顺序中，每个进程都占有了一个资源，从而在请求第二个资源的时候，每个进程都进入了阻塞态，最后没有进程可以执行。同时注意到，资源图确实构成了环路。

在第二种执行顺序中，进程A率先获取了所有它需要的资源R和S，尽管C因为请求资源R而进入了阻塞态，但是A使用完资源后，释放了R和S，最终C可以继续执行下去，没有构成死锁。

处理死锁的策略：

（1）忽略该问题。一般称为鸵鸟算法，即躲起来视而不见。

（2）检测死锁并恢复。让死锁发生，检测它们是否发生，一旦发生死锁，就采取行动解决问题。

（3）仔细对资源进行分配，动态地避免死锁。也称为死锁避免。

（4）通过破坏引起死锁的四个必要条件，防止死锁的发生。也称为死锁预防。

三、死锁检测和恢复

采用这种办法的时候，系统并没有试图阻止死锁的发生，而是允许死锁发生，检测到死锁后，采取措施进行恢复。

检测：我们知道，死锁的一个必要条件是存在两个及以上进程组成的环路。通过检测有向图环路，是一种检测死锁存在的方法。

当每种类型存在多个资源时，检测可能会复杂许多。

恢复的方法：

（1）利用抢占恢复。死锁发生的必要条件，其中一个就是不可抢占。如果允许抢占，那么就可以破坏死锁条件。

（2）利用回滚：周期性对进程进行检查点检查，一旦发现了死锁，就回滚到一个较早的检查点上。

（3）通过杀死进程：这个方法是最显而易见的。杀死一个进程可以释放它占有的资源，如果仍然不行那么久继续杀死其他进程直到打破死锁。

四、死锁避免

1、资源轨迹图

如果直到了进程在各个阶段需要哪些资源，那么可以在图中进程标注。两个进程的交叠区域就是一个会造成死锁的区域。进程在图中只能向右或者向上前进，一旦进入了危险区，那么就可能发生死锁。为了避免死锁，应当在合适的时间阻塞某个进程，使得运行避开这个区域。

2、银行家算法

在介绍银行家算法之前，先引入一个安全状态与不安全状态的概念。

如果没有死锁发生，并且即使所有的进程突然请求对资源的最大需求，也仍然存在某种调度次序，能使得每个进程运行完毕，则称该状态是安全的。

该图中，a状态下是安全的，因为按照b-e的顺序，整个过程能完成而不会产生死锁。只要系统仔细进行调度，就能够避免死锁。

该图中，a状态是安全的，但是b中把资源先分配给了A进程1个，导致后面可能会出现。注意，不安全状态并不一定是死锁，b中的状态，依然可以运行一段时间，B进程甚至可以运行完成，直到没有空闲资源才会发生死锁。如果A能主动释放资源，可能也不会出现死锁。

安全状态与不安全状态的区别是，从安全状态出发，系统能够保证所有的进程都能完成；而从不安全状态出发，没有这样的保证。

单个资源的银行家算法：对每一个请求进行检查，检查如果满足了这一需求是否会达到安全状态。如果能，那么满足该需求；如果不能，就推迟对这一请求的满足。

例如，上面图中，银行家可以只满足B客户的需求，拖延其他客户的需求，因而可以让B先完成，然后释放B的4个资源。有了这4个资源，就可以给B或者D分配所需要的资源。

不安全状态不一定产生死锁，不过如果一旦一个进程需要最大资源，就会导致死锁，银行家算法避免这种风险。

银行家算法可以推广到多个资源的情况，此时可以写成矩阵的形式，每次判断一行是否满足，即一个进程的多个资源都进行检查。

需要注意到，死锁避免是非常困难的，无论是资源轨迹图还是银行家算法，都需要事先知道进程运行的过程中需要的最大资源数，这几乎是不可能实现的！

五、死锁预防

死锁避免可以认为是在程序执行中动态地避免死锁发生，而死锁预防可以说是静态的方式，杜绝死锁发生的可能性。

只要能破坏死锁发生的四个必要条件之一，那么死锁就不会发生。

1、破坏互斥条件

尽量使得资源不被某个进程独占。比如打印机的假脱机打印，就是尽量避免一个进程独占打印机，而是把要打印的文件存入一个假脱机目录，然后通过一个守护进程管理打印机进行打印。

2、破坏占有和等待条件

禁止已经持有资源的进程再等待其他资源。

一种方式是，在进程开始执行前请求所需的全部资源，如果不能满足，那么就不分配资源，进行等待。这种方式的问题在于，类似银行家算法，事先不知道需要多少资源，而且资源利用率不高。

另一种方式就是，当一个进程请求资源时，先暂时释放其当前所占用的所有资源，然后再尝试一次获取所需的全部资源。

3、破坏不可抢占条件

这个比较好理解，允许资源抢占即可。当然，有的时候资源应当是不可抢占的。

4、破坏环路等待条件

一种方法是对资源进行编号，进程在任何时候都可以请求资源，但是所有的请求必须按照资源编号的顺序（升序）提出。

六、其他问题

1、两阶段加锁

这是针对数据库的一种方法，第一阶段对所有需要更新的记录进行加锁，一旦某个记录已经被加锁，就释放之前的锁，从头进行重试。只有当第一阶段所有获取锁的行为都成功，才进行第二阶段的更新，否则放弃所有的锁。

2、通信死锁

这种情况其实是很常见的。当一个进程A向B发送信息后挂起，需要B进程的回复唤醒时，如果请求信息丢失，A就会被阻塞以等待回复，B会阻塞等待一个向其发送命令的请求，因而发生死锁。

通信死锁不涉及资源，不能通过合理调度资源来避免。一般通信协议会解决这种问题，包括超时重传等技术。

3、活锁

轮询（忙等待）的方式，在有时是有效的，因为挂起进程等待的开销很大。考虑如下程序：

 

enter_region()通过轮询获取资源，假设A获得了资源1，B获得了资源2，那么两个进程都不会阻塞，而是不停地进行轮询以获取资源。两个进程总是运行完系统分配的时间片，没有阻塞但是不会取得进展。

4、饥饿

饥饿的概念，其实与死锁和活锁差别比较大。考虑进程调度，基于优先级的调度中，如果总是有高优先级的进程就绪，那么一个低优先级的进程可能长时间无法上CPU运行。这就是饥饿现象，可以考虑通过动态优先级机制，可以动态提高长时间得不到运行的进程的优先级，从而使它可以运行。