第2章-进程管理-死锁

• 死锁的概念

• 死锁、饥饿、死循环的区别

• 死锁产生的必要条件

• 什么时候会发生死锁

• 死锁的处理策略

• 死锁的处理策略——预防死锁

• 破坏互斥条件

• 破坏不剥夺条件

• 破坏请求和保持条件

• 破坏循环等待条件

• 死锁的处理策略——避免死锁

• 什么是安全序列

• 银行家算法

• 死锁的处理策略——检测和解除

• 死锁的检测

• 死锁的解除

第2章-进程管理-死锁

死锁的概念

在并发环境下，各进程因竞争资源而造成的一种互相等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，都无法向前推进的现象，就是“死锁”。发生死锁后若无外力干涉，这些进程都无法向前推进

死锁、饥饿、死循环的区别

• 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。死锁一定是“循环等待对方手里的资源”导致的，因此如果有死锁现象，那至少有两个或两个以上的进程同时发生死锁。另外发生死锁的进程一定处于阻塞态。

• 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”。发生饥饿的进程既可能是阻塞态（如长期得不到需要的IO设备），也可能是就绪态（长期得不到处理机）

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

死锁产生的必要条件

产生死锁必须同时满足以下四个条件，只要其中任一条件不成立，死锁就不会发生

1. 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（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）

2. 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

3. 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有，此时请求进程被阻塞，但又对自己已有的资源保持不放

4. 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死锁（循环等待是死锁的必要不充分条件）。

如果同类资源数>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。

什么时候会发生死锁

1. 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. 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有紧接着申请资源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、同步信号量看做是一种抽象的系统资源）

总之，对不可剥夺资源的不合理分配，可能导致死锁

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。用某种方式防止系统进入不安全状态，从而避免死锁（银行家算法）

3. 死锁的检查和解除。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

死锁的处理策略——预防死锁

破坏互斥条件

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

如果把只能互斥使用的资源改为允许共享使用，则系统不会进入死锁状态，比如SPOOLing技术。

操作系统可以采用SPOOLing技术把独占设备在逻辑上改造成共享设备。比如用SPOOLing技术将打印机改造成共享设备

缺点：并不是所有的资源都可以改造成可共享使用的资源。并且为了系统安全，很多地方还必须保护这种互斥性。因此很多时候都无法破坏互斥条件。

破坏不剥夺条件

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

破坏不剥夺条件：

1. 方案1：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，从而破坏了不可剥夺条件

2. 方案2：当某个进程需要的资源被其他进程所占有的时候，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进程的优先级（比如：剥夺调度方式，就是将处理机资源强行剥夺给优先级更高的进程使用）

这两种策略的缺点：

• 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恢复状态的资源，如CPU

• 反复地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，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

破坏请求和保持条件

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有，此时请求进程被阻塞，但又对自己已有的资源保持不放

破坏请求和保持条件：

1. 采用静态分配法，即进程在运行前一次申请完它所需要的全部资源，在它的资源未满足前，不让它投入运行。一旦投入运行后，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

这种策略的缺点：

• 有些资源可能只需要用很短的时间，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。另外，该策略也有可能导致某些进程饥饿

破坏循环等待条件

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

破坏循环等待条件：

1. 采用顺序资源分配法。首先给系统中的资源编号，规定每个进程必须按编号递增的顺序请求资源，同类资源（即编号相同的资源）一次申请完原理分析：一个进程只有已占有小编号的资源时，才有资格申请更大编号的资源。按此规则，已持有大编号资源的进程不可能逆向地回来申请小编号的资源，从而就不会产生循环等待的现象。也就是说，在任何一个时刻，总有一个进程拥有的资源编号是最大的，那么这个进程申请之后的资源必然畅通无阻，因此不可能出现所有进程都阻塞的死锁现象

这种策略的缺点：

• 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，会导致资源的浪费

• 必须按规定次序申请资源，用户编程麻烦

死锁的处理策略——避免死锁

什么是安全序列

所谓的安全序列，就是指如果系统按这种序列分配资源，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。当然安全序列可能有多个。

如果分配了资源之后，系统中找不出任何一个安全序列，系统就进入了不安全状态。这意味着之后可能所有进程都无法顺利地执行下去。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，不过我们在分配资源前总要考虑到最坏的情况。

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。（处于不安全状态未必就是发生了死锁，但发生死锁时一定是在不安全状态）

可以在资源分配之前预先判断此次分配是否会导致系统进入不安全状态，以此决定是否答应资源分配请求。这也是银行家算法的核心思想

银行家算法

在BAT例子中，只有一种类型的资源：钱。但是在计算机系统中有多种多样的资源，应该怎么把算法拓展为多种资源的情况呢？可以把单位的数字拓展为多维的向量。比如：系统中有5个进程P0~P4,3种资源R0~R2，初始数量为（10,5,7），则某一时刻的情况可表示如下

具体计算方法参考王道考研课P40的10分钟位置

死锁的处理策略——检测和解除

如果系统中既不采取预防死锁的措施，也不采取避免死锁的措施，系统就很可能发生死锁。这种情况下，系统应当提供两个算法：

1. 死锁检测算法：用于检测系统状态，以确定系统中是否发生了死锁

2. 死锁解除算法：当认定系统中以及发生了死锁，利用该算法可以将系统从死锁状态中解脱出来

死锁的检测

为了能对系统是否已经发生了死锁进行检测

1. 用某种数据结构来保存资源的请求和分配信息

2. 提供一种算法，利用上述信息来检测系统是否已进入死锁状态

如果系统中剩余的可用资源数足够满足进程的需求，那么这个进程暂时是不会被阻塞的，可以顺利地执行下去。如果这个进程执行结束了把资源归还给系统，就可能使某些正在等待资源的进程被激活，并顺利地执行下去。相应地，这些被激活的进程执行完了之后又会归还一些资源，这样可能又会激活另外一些阻塞的进程。如果按照上述过程分析，最终能消除所有边，就称这个图是可完全简化的，此时一定没有发生死锁（相当于能找到一个安全序列）

• 没有发生死锁的变化图：

如果最终不能消除所有边，那么此时就是发生了死锁。最终还连着变的那些进程就是处于死锁状态的进程

• 发生了死锁的变化图

死锁的解除

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。但是应放置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。这种方式的优点是时间简单，但是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了，已经接近结束了，一旦被终止可能功亏一篑

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

如何决定“对谁动手”

1. 进程优先级

2. 已执行多长时间

3. 还要多久能完成

4. 进程已经使用了多少资源

5. 进程是交互式的还是批处理式的