操作系统-2.4-死锁

╰半橙微兮° 2023-10-03 11:59 9阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  操作系统-2.4-死锁
 *   *  1.死锁的概念
     *   *  1.1什么是死锁
         *  1.2死锁，饥饿，死循环的区别
         *  1.3死锁产生的必要条件
         *  1.4什么时候发生死锁
         *  1.5死锁的处理策略
         *  1.6总结
     *  2.死锁的处理策略-预防死锁
     *   *  2.1破坏互斥条件
         *  2.2破坏不剥夺条件
         *  2.3破坏请求和保持条件
         *  2.4破坏循环等待条件
         *  2.5总结
     *  3.死锁的处理策略-避免死锁
     *   *  3.1安全序列，不安全状态，死锁的联系
         *  3.2银行家算法
     *  4.死锁的处理策略-检测和解除
     *   *  4.1死锁的检测
         *  4.2死锁的解除
         *  4.3总结

## 操作系统-2.4-死锁 ##

### 1.死锁的概念 ###

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#### 1.1什么是死锁 ####

话不多说，先上图：

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**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,这些进程都将无法向前推进。

#### 1.2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：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”。
 *  **死循环**：某进程执行过程中一直跳不出某个循环的现象。有时是因为程序逻辑**bug** 导致的，有时是程序员故意设计的。

详细区别见下表：

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#### 1.3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。

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#### 1.4什么时候发生死锁 ####

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。(可以把互斥信号量、同步信号量也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。

#### 1.5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。

#### 1.6总结 ####

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### 2.死锁的处理策略-预防死锁 ###

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-rRCpPwnr-1627346355229)(C:\\Users\\30287\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20210722141415085.png)\]][img-rRCpPwnr-1627346355229_C_Users_30287_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_image-20210722141415085.png]

#### 2.1破坏互斥条件 ####

*  **互斥条件**：只有对必须互斥使用的资源的争夺才会导致死锁。
 *  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。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`技术将打印机改造为共享设备…
 *  **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**。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

#### 2.2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。
    2.  **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。

#### 2.3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**。

#### 2.4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，从而就不会产生循环等待的现象。
 *  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的编号;
    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。

![<img src="C:\\Users\\30287\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20210723215154025.png" alt="image-20210723215154025" style="zoom:50%;"][img src_C_Users_30287_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_image-20210723215154025.png_ alt_image-20210723215154025_ style_zoom_50]

#### 2.5总结 ####

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### 3.死锁的处理策略-避免死锁 ###

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#### 3.1安全序列，不安全状态，死锁的联系 ####

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-jRSQBVko-1627346355236)(C:\\Users\\30287\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20210724145858568.png)\]][img-jRSQBVko-1627346355236_C_Users_30287_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_image-20210724145858568.png]

**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**。这就意味着之后**可能**所有进程都无法顺利的执行下去。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。

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）。  
因此可以**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。

#### 3.2银行家算法 ####

**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。

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![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-afvw6mO6-1627346355239)(C:\\Users\\30287\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20210722151639967.png)\]][img-afvw6mO6-1627346355239_C_Users_30287_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_image-20210722151639967.png]

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-JzvY9PUa-1627346355241)(C:\\Users\\30287\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20210722151750744.png)\]][img-JzvY9PUa-1627346355241_C_Users_30287_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_image-20210722151750744.png]

### 4.死锁的处理策略-检测和解除 ###

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#### 4.1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。

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-eSUnD6jK-1627346355244)(C:\\Users\\30287\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20210724143759534.png)\]][img-eSUnD6jK-1627346355244_C_Users_30287_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_image-20210724143759534.png]

注：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。

**算法思想**：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**（相当于能找到一个安全序列)。  
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**不可完全简化**的，那么此时系统**死锁**。

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#### 4.2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（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。  
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。这种方式的优点是实现简单，但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，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。  
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。

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-GGRzjoIK-1627346355246)(C:\\Users\\30287\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20210724145344472.png)\]][img-GGRzjoIK-1627346355246_C_Users_30287_AppData_Roaming_Typora_typora-user-images_image-20210724145344472.png]

#### 4.3总结 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

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