（数据库系统概论|王珊）第十一章并发控制-第二、三、四节：封锁、封锁协议活锁和死锁

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目录

• 一：封锁
  • （1）概念
  • （2）类型
  • （3）控制方式
• 二：封锁协议
  • （1）概念
  • （2）三级封锁协议
    • ①：一级封锁协议
    • ②：二级封锁协议
    • ③：三级封锁协议
• 三：活锁和死锁
  • （1）活锁
  • （2）死锁
    • A：概念
    • B：死锁产生的四个必要条件
      • ①：互斥条件
      • ②：不可剥夺条件
      • ③：持有并等待条件
      • ④：循环等待条件
    • C：解决死锁的方法
      • 预防死锁
        • ①：破坏互斥条件
        • ②：破坏不可剥夺条件
        • ③：破坏持有并等待条件（对应一次封锁法）
        • ④：破坏循环等待条件（对应顺序封锁法）
      • 死锁检测
        • ①：超时法
        • ②：等待图法（资源分配图）
      • 死锁解除

一：封锁

（1）概念

封锁：封锁就是事务$T$在对某个数据对象（表、记录等）操作之前，先向系统发出请求，对其加锁；加锁后事务$T$对该数据对象就有了一定的控制，在事务$T$释放它的锁之前，其它的事务不能更新此数据对象；DBMS通常提供了多种类型的封锁，一个事务对某个数据对象加锁后究竟拥有怎样的控制是由封锁的类型决定的

（2）类型

基本封锁类型有如下两种

• 排他锁（$X$锁）：又称为写锁，若事务$T$对数据对象$A$加上$X$锁，则只允许$T$读取和修改$A$，其他任何事务都不能再对$A$加任何类型的锁，直到$T$释放$A$上的锁
• 共享锁（$S$锁）：又称为读锁，若事务$T$对数据对象$A$加上$S$锁，则其他事务只能再对$A$加$S$锁，而不能加$X$锁，直到$T$释放$A$上的$S$锁
  ，

（3）控制方式

排他锁与共享锁的控制方式可以用下图所示的相容矩阵来表示

• 最左边一列表示事务$T_1$已经获得的数据对象上的锁的类型，其中横线表示没有加锁
• 最上面一行表示另一事务$T_2$对同一数据对象发出的封锁请求
• $T_2$的封锁请求能否被满足用矩阵中的$Y$和$N$表示。其中$Y$表示事务$T_2$的封锁与$T_1$已持有的锁相容，封锁请求可以满足；$N$表示$T_2$的封锁请求与$T_1$已持有的锁冲突，请求被拒绝

二：封锁协议

（1）概念

封锁协议：是指在运用$X$锁和$S$锁对数据对象加锁时需要遵照的一些规则。例如，何时申请、持续时间、和何时释放等。不同的封锁协议，为并发操作的正确调度提供了一定的保证，所能达到的系统一致性级别也是不同的。常用的封锁协议有

• 支持一致性维护的三级封锁协议（本节）
• 支持并行调度可串行化的两段锁协议/避免死锁的协议

（2）三级封锁协议

①：一级封锁协议

一级封锁协议：事务$T$在修改数据$R$之前必须先对其加$X$锁，直到事务结束（COMMIT或ROLLBACK）才释放

• 优点：可以防止丢失修改
• 缺点：如果仅是读数据，是不需要加锁的。所以它不能保证可重复读和不读脏数据

②：二级封锁协议

二级封锁协议：是指在一级封锁协议基础上增加事务$T$在读取数据$R$之前必须先对其加$S$锁，读完后即可释放$S$锁

• 优点：可以方式丢失修改和读脏数据
• 缺点：不能保证可重复读

③：三级封锁协议

三级封锁协议：是指在一级封锁协议基础上增加事务$T$在读取数据$R$之前必须先对其加$S$锁，直到事务结束才可以释放$S$锁

• 防止丢失修改和读脏数据，还防止了不可重复读

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总结

三：活锁和死锁

一个问题的解决必然会导致另一个问题的出现。封锁技术可以有效地解决并发操作的一致性问题，但是会带来新的问题

• 活锁
• 死锁

（1）活锁

活锁：事务$T_1$封锁数据$R$，事务$T_2$又请求封锁$R$，因此事务$T_2$被迫等待。此时，事务$T_3$也请求封锁$R$，因此事务$T_3$也被迫等待。当$T_1$释放$R$的封锁后，系统却首先批准了$T_3$的请求，$T_2$只能继续等待。然后，又有别的事务到来，由于事务$T_2$的优先级可能较低，所以导致它长时间得不到服务，产生饥饿现象。这就是活锁。避免活锁可以废除特权，采用先来先服务算法

（2）死锁

• 注意此部分在操作系统中属于重点内容，详细了解请点击跳转：【专栏必读】王道考研408操作系统万字笔记（从学生角度辅助大家理解）：各章节导航及思维导图

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A：概念

死锁：两个或两个以上事务均处于等待状态，每个事务都在等待其中另一个事务封锁的数据，导致任何事务都不能向前推进的现象

B：死锁产生的四个必要条件

• 此部分内容选自：(王道408考研操作系统)第二章进程管理-第四节1：死锁相关概念

①：互斥条件

互斥条件：是指只有对必须互斥使用的资源抢夺时才可能导致死锁。比如打印机设备就可能导致互斥，但是像内存、扬声器则不会

• 进程A已经获得资源，进程B只能等待

②：不可剥夺条件

不可剥夺条件：是指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

③：持有并等待条件

持有并等待条件：是指进程已经至少保持了一个资源，但又提出了新的资源请求，但是该资源又被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但是对自己持有的资源保持不放

④：循环等待条件

循环剥夺条件：是指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

C：解决死锁的方法

解决死锁主要有下面三种方法（每一种在对应文章中都有详细介绍，限于篇幅，这里只挑取重点）

• (王道408考研操作系统)第二章进程管理-第四节2：死锁处理策略之预防死锁
• (王道408考研操作系统)第二章进程管理-第四节2：死锁处理策略之避免死锁（银行家算法）
• (王道408考研操作系统)第二章进程管理-第四节3：死锁处理策略之检测和解除

预防死锁

①：破坏互斥条件

• 互斥条件是指只有对必须互斥使用的资源抢夺时才可能导致死锁。比如打印机设备就可能导致互斥，但是像内存、扬声器则不会

破坏互斥条件：如果把只能互斥使用的资源改造为允许共享使用，则系统不会进入死锁状态。但并不是所有资源都可以改造为成共享使用的资源的，而且为了系统安全性，很多地方也是禁止改造的，所以互斥条件一般无法破坏

②：破坏不可剥夺条件

• 不可剥夺条件是指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

破坏不可剥夺条件：可以有以下两种方案

• 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，待以后需要时再重新申请。 也就是说，即使某些资源尚未使用完，也需要主动释放
• 方案二：当某个进程需要的资源被其他进程占有的时候，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个进程的优先级

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，所以这种方法一般只适用于易保存和恢复状态的资源，比如CPU
• 反复申请和释放资源会增加系统开销，降低系统吞吐量
• 若采用方法一，意味着只要暂时得不到某个资源，之前获得的那些资源都需要放弃，以后再重新申请，容易导致进程饥饿

③：破坏持有并等待条件（对应一次封锁法）

• 持有并等待条件：是指进程已经至少保持了一个资源，但又提出了新的资源请求，但是该资源又被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但是对自己持有的资源保持不放

破坏持有并等待条件：可以采用静态分配方法。进程在运行前一次申请完它所需要的全部资源，在它的资源未得到满足前，不允许投入运行；一旦投入运行，这些资源就一直归它所有，该进程不会再请求别的任何资源

缺点

• 有些资源可能只需要使用很短的时间，因此如果进程的整个运行期间都一直保持着所有资源，就会造成严重的资源浪费，资源利用率极低，并且该策略也有可能导致饥饿现象

④：破坏循环等待条件（对应顺序封锁法）

• 循环剥夺条件：是指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

破坏循环等待条件：可以采用顺序资源分配方法。首先给系统中的资源进行编号，规定每个进程必须按照编号递增的顺序请求资源，编号相同的资源（也就是同类资源）一次申请完

• 这是因为一个进程只有在已经占有小编号资源的同时，才有资格申请更大编号的资源。所以已经持有大编号资源的进程不可能逆向申请小编号的资源
  

缺点

• 不方便增加新的设备，因为可能需要重新分配所有的编号
• 进程实际使用资源的顺序可能和编号递增顺序不一致，造成资源浪费
• 必须按规定次序申请资源，为用户编程带来了麻烦

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死锁检测

①：超时法

超时法：如果一个事务的等待时间超过了规定的时限，就认为发生了死锁

• 优点：实现简单
• 缺点：有可能误判死锁；时限标准难以把握

②：等待图法（资源分配图）

两种结点

• 进程结点：对应一个进程
• 资源结点：对应一类资源，其数量可能有多个

两种边

• 进程结点->资源结点：进程想要申请多少个资源，每条边代表一个
• 资源结点->进程结点：表示已经为进程分配了多少个资源，每条边代表一个

• 进程$P_1$已经分得了两个$R_1$资源，又在请求一个$R_2$资源；
• 进程$P_2$已经分得了一个$R_1$资源和一个$R_2$资源，又在请求一个$R_1$资源；

判断是否发生死锁：如果系统中的可用资源数目满足进程的需求，那么这个进程暂时是不会被阻塞的，可以顺利执行；如果这个进程结束后将资源归还给了系统，就可能使某些正在等待资源的进程被激活，并顺利执行下去

比如下图中：$R_2$资源的数目共有2个，其中一个分配给了$P_2$，此时$P_1$请求一个，而可用资源数目够，因此$P_1$不会被阻塞；

$R_1$资源的数目共有3个，其中2个分配给了$P_1$，一个分配给了$P_2$，所以$P_2$的请求不能满足，而$P_1$是可以顺利执行的，所以$P_2$在等待$P_1$执行完毕并归还资源后，便可以顺利执行下去

$P_1$结束之后，归还资源，并且它再不会请求任何资源，因此取出和$P_1$相连的边

$P_2$在结束之后也会归还资源

可完全简化：按照上述过程，如果能够消除所有的边，就称此资源图可完全简化，此时一定没有发生死锁，相等于可以找到一个安全序列$P_1$->$P_2$。如果不能消除所有边，此时就发生了死锁，而且最终还连着边的那些进程就是处于死锁状态的进程

比如下图中，开始时让$P_1$再多持有一个$R_2$资源，并且$R_2$资源又分配了一个给$P_3$

此时$R_2$资源被分配干净，所以$P_1$在请求时被阻塞，相应$P_2$进程也会被阻塞。因此只有$P_3$能够顺利进行

$P_3$结束之后虽然会归还1个$R_2$资源，但是仍然不满足$P_1$的需求，所以$P_1$依然被阻塞，$P_2$也还是被阻塞，发生死锁

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死锁解除

解除死锁：一旦检测出死锁发生，就应该立即解除死锁。注意并不是系统中所有的进程都是死锁状态，使用死锁检测算法化简资源分配图后，还连着边的那些进程就是需要进行解除的死锁进程。解除方法主要有：

• 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
• 撤销进程法(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性会很大。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
• 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。这样就要求系统要记录进程的历史信息，设置还原点