【计算机操作系统】2-4-死锁

死锁的概念

  • 什么是死锁
  • 进程死锁、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

什么是死锁

每个人都占有一个资源,同时又在等待另一个人手里的寺院。发生“死锁”。

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,这些进程都讲无法向前推进。

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。

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: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。有时时因为程序逻辑bug导致的,有时时程序员故意设计的。

  • 区别
    • 死锁至少有两个或两个以上的进程同时发生死锁。
    • 饥饿可能只有一个进程发生饥饿,既可能时阻塞态,也可能是就绪态。
    • 死锁和饥饿是管理者(操作系统)的问题,死循环是被管理者的问题。

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)。
    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用,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。

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

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。

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、同步信号量也看做时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。

  • 什么是死锁
    • 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
  • 死锁、饥饿、死循环的区别
    • 死锁:至少两个进程一起死锁,死锁处于阻塞态
    • 饥饿:可以只有一个进程饥饿,饥饿进程可能阻塞也可能就绪
    • 死循环:可能只有一个进程发生死循环,死循环的进程可上处理机
    • 死锁和饥饿时操作系统要解决的问题,死循环是应用程序员要解决的
  • 死锁产生的必要条件
    • 互斥条件
      • 对必须互斥使用的资源的争抢才会导致死锁
    • 不剥夺条件
      • 进程保持的资源只能主动释放,不可强行剥夺
    • 请求和保持条件
      • 保持着某些资源不放的同时,请求别的资源
    • 循环等待条件
      • 存在一种进程资源的循环等待链
      • 循环等待未必死锁,死锁一定有循环等待
    • 什么时候会发生死锁
      • 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
      • 预防死锁
        • 破坏死锁产生的四个必要条件
      • 避免死锁
        • 避免系统进入不安全状态(银行家算法)
      • 死锁的检测和解除
        • 允许死锁发生,系统负责检测出死锁并解除。

死锁的处理策略——预防死锁

  • 不允许死锁发生
    • 静态策略: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
    • 动态策略:避免死锁
  • 允许思死锁发生
    • 死锁的检测和解锁

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为共享设备……

使用了SPOOLing技术后,在各进程看来,自己对打印机资源的使用请求立即就被接受处理了,不需要再阻塞等待。

该策略的缺点: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。

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,从而破坏了不可剥夺条件。

方案二: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)

  • 该策略的缺点
    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。

可以采用静态分配方法,即使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。

  • 该策略实现起来简单,但也有明显的缺点:
    • 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。使用资源种类和数量越多的进程就越容易出现饥饿。

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。

可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,从而不会产生循环等待的现象。

在任何一个时刻,总有一个进程拥有资源编号时最大的,那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。

  • 该策略的缺点:
    1. 不方便增加新的设备,因为可能需要重新分配所有编号
    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。

总结

  • 破坏互斥条件
    • 将临街资源改造为可共享使用的资源
    • 缺点:可行性不高,很多时候无法破坏互斥条件
  • 破坏不剥夺条件
    1. 申请的资源得不到满足时,立即释放所有的资源
    2. 申请的资源被其他进程占用时,由操作系统协助剥夺(考虑优先级)
    • 缺点:实现复杂;剥夺资源可能导致部分工作失效;反复申请和释放导致系统开销大;可能导致饥饿。
  • 破坏请求和保持条件
    • 运行前分配好所有需要的资源,之后一直保持
    • 缺点:资源资利用率低;可能导致饥饿
  • 破坏循环等待条件
    • 给资源编号必须按编号从小到大的顺序申请资源
    • 缺点:不方便增加新设备;会导致资源浪费;用户编程麻烦

死锁的处理策略——避免死锁

  • 不允许死锁发生
    • 静态策略:预防死锁
    • 动态策略:避免死锁
      • 什么是安全序列
      • 什么是系统的不安全状态,与死锁有何联系
      • 如何避免系统进入不安全状态——银行家算法
  • 允许死锁发生
    • 死锁的检测和解除

什么是安全序列

所谓安全序列,就是指如果系统按照这种序列分配资源则每个进程都能顺利完成,只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。这就意味着之后可能所有进程都无法顺利执行下去。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之前总是要考虑到最坏的情况。

安全序列、不安全状态、死锁的联系

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)

因此可在在资源分配之前预先判断这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

银行家算法时荷兰学者Dijkstra为银行系统设计的,以确保银行在发放现金贷款时,不会发生不能满足所有客户需要的情况,后来该算法被用在操作系统中,用于避免死锁

核心思想:在进程提出资源申请时,先预判此次分配是否会导致系统进入不安全状态。如果会进入不安全状态,就暂时不答应这次请求,让该进程先阻塞等待。


总结

  • 数据结构

    • 长度为m的以为数组Avaliable表示还有多少可用资源
    • n*m矩阵Max表示各进程对资源的最大需求数
    • n*m矩阵Allocation表示已经给各进程分配了多少资源
    • Max-Allocation=Need矩阵表示各进程自多还需要多少资源
    • 用长度为m的一维数组Request表示进程此次申请的各种资源数
  • 银行家算法步骤

    1. 检查此次申请是否超过了之前声明的最大需求数
    2. 检查此时系统剩余的可用资源是否还能满足这次请求
    3. 试探着分配,更改各数据结构
    4. 用安全性算法检查此次分配是否会导致系统进入不安全状态
  • 安全性算法步骤:

    • 检查当前的剩余可用资源是否能满足某个进程的最大需求,如果可以,就把该进程加入安全序列,并把该进程持有的资源全部回收。
    • 不断重复上述过程,看最终能否让所有进程都加入安全序列。

系统处于不安全状态未必死锁,但死锁时一定处于不安全状态。系统处于安全状态一定不会死锁。

死锁的处理策略——检测和解除

  • 不允许死锁发生

    • 静态策略:预防死锁
    • 动态策略:避免死锁
  • 允许死锁发生

    • 死锁的检测和解除
      • 死锁的检测
      • 死锁的解除
  • 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。在这种情况下,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:当认定系统中已经发生了死锁,利用该算法可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发生了死锁进行检测,必须:

    1. 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。
  • 数据结构: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,一类资源可能有多个
    • 两种边
      • 进程结点->资源结点:表示进程想申请几个资源(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几个资源(每边代表一个)

一般用矩形表示资源结点,矩形中的小圆代表该类资源的数量。

如果系统中剩余的可用资源数足够满足进程的需求,那么这个进程暂时时不会阻塞的,可以顺利地实行下去。

如果这个进程执行结束了把资源归还系统,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。

相应的,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(详单与找到了一个安全序列)

如果最终不能消除所有边,那么此时就是发生了死锁

最终还连着边的那些进程就是处于死锁状态的进程

死锁定理:如果某时刻系统的资源分配图是不完全可简化的,那么此时系统死锁了

死锁的解除

一旦检测出死锁的发生,就应该立即解除死锁。

补充:并不是系统中所有的进程都是死锁状态,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死锁进程

  • 解除死锁的主要方法有:

    1. 资源剥夺法:挂起某些死锁进程,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。这种方式的优点时实现简单,但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。
  • 如何决定对谁动手?

    • 进程优先级
    • 已执行多长时间
    • 还要多久能完成
    • 进程已经使用了多少资源
    • 进程是交互式的还是批处理式的

总结

  • 如何检测
    • 数据结构:资源分配图
      • 两种结点
        • 进程结点
        • 资源结点
      • 两种边
        • 进程结点->资源结点(请求边)
        • 资源结点->进程结点(分配边)
    • 死锁检测算法
      • 依次消除于不阻塞进程相连的边,直到无边可消
      • 注:所谓不阻塞进程是指其申请的资源数还足够的进程
      • 死锁定理:若资源分配图是不完全简化的,说明发生了死锁
  • 如何解锁
    • 资源剥夺法
    • 撤销进程法(终止进程法)
    • 进程回退法