03-操作系统 死锁

死锁

什么是死锁？

死锁（Deadlock）描述的是这样一种情况：多个进程/线程同时被阻塞，它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。由于进程/线程被无限期地阻塞，因此程序不可能正常终止。

列举一个操作系统发生死锁的例子吗

假设有两个进程 A 和 B，以及两个资源 X 和 Y，它们的分配情况如下：

进程	占用资源	需求资源
A	X	Y
B	Y	X

此时，进程 A 占用资源 X 并且请求资源 Y，而进程 B 已经占用了资源 Y 并请求资源 X。两个进程都在等待对方释放资源，无法继续执行，陷入了死锁状态。

产生死锁的四个必要条件是什么

1. 互斥（Mutual exclusion）：资源必须处于非共享模式，即一次只有一个进程可以使用。如果另一进程申请该资源，那么必须等待直到该资源被释放为止。
2. 占有并等待（Hold and wait）：一个进程至少应该占有一个资源，并等待另一资源，而该资源被其他进程所占有。
3. 非抢占（No pre-emption）：资源不能被抢占。只能在持有资源的进程完成任务后，该资源才会被释放。
4. 循环等待（Circular wait）：有一组等待进程 {P0, P1,..., Pn}， P0 等待的资源被 P1 占有，P1 等待的资源被 P2 占有，……，Pn-1 等待的资源被 Pn 占有，Pn 等待的资源被 P0 占有。

注意：这四个条件是产生死锁的 必要条件 ，也就是说只要系统发生死锁，这些条件必然成立，而只要上述条件之一不满足，就不会发生死锁。

下面是百度百科对必要条件的解释：

如果没有事物情况 A，则必然没有事物情况 B，也就是说如果有事物情况 B 则一定有事物情况 A，那么 A 就是 B 的必要条件。从逻辑学上看，B 能推导出 A，A 就是 B 的必要条件，等价于 B 是 A 的充分条件。

死锁的处理基本策略和常用方法

解决死锁的基本方法主要有预防死锁、避免死锁、检测死锁、解除死锁、鸵鸟策略等。

(1)死锁预防

死锁预防的基本思想是: 只要确保死锁发生的四个必要条件中至少有一个不成立，就能预防死锁的发生，具体方法包括：

• 打破互斥条件：允许进程同时访问某些资源。但是，有些资源是不能被多个进程所共享的，这是由资源本身属性所决定的，因此，这种办法通常并无实用价值。

• 打破占有并等待条件：

  • 可以实行 资源预先分配策略。
    进程在运行前一次性向系统申请它所需要的全部资源，若所需全部资源得不到满足，则不分配任何资源，此进程暂不运行；只有当系统能满足当前进程所需的全部资源时，才一次性将所申请资源全部分配给该线程。
    或者只允许进程在没有占用资源时才可以申请资源（一个进程可申请一些资源并使用它们，但是在当前进程申请更多资源之前，它必须全部释放当前所占有的资源）。
    这种策略也存在一些缺点：在很多情况下，无法预知一个进程执行前所需的全部资源，因为进程是动态执行的，不可预知的；同时，会降低资源利用率，降低进程的并发性。

• 打破非抢占条件：允许进程强行从占有者哪里夺取某些资源。也就是说，但一个进程占有了一部分资源，在其申请新的资源且得不到满足时，它必须释放所有占有的资源以便让其它线程使用。这种预防死锁的方式实现起来困难，一般仅适用于 主存资源 和 处理器资源 的分配，并不适用于所有的资源，会导致 资源利用率下降。

• 打破循环等待条件：实行资源有序分配策略。对所有资源排序编号，所有进程对资源的请求必须严格按资源序号递增的顺序提出，即只有占用了小号资源才能申请大号资源，这样就不回产生环路，预防死锁的发生。

(2)死锁避免

上面提到的 破坏 死锁产生的四个必要条件之一就可以成功 预防系统发生死锁 ，但是会导致 低效的进程运行 和 资源使用率 。而死锁的避免相反，它的角度是允许系统中 同时存在四个必要条件。

死锁避免的基本思想是动态地检测资源分配状态，以确保循环等待条件不成立，从而确保系统处于安全状态。

所谓安全状态是指：如果系统能按某个顺序为每个进程分配资源（不超过其最大值），那么系统状态是安全的，换句话说就是，如果存在一个安全序列，那么系统处于安全状态。

资源分配图算法和银行家算法是两种经典的死锁避免的算法，其可以确保系统始终处于安全状态。

• 资源分配图算法应用场景为每种资源类型只有一个实例(申请边，分配边，需求边，不形成环才允许分配)，而银行家算法应用于每种资源类型可以有多个实例的场景。

• 银行家算法：一句话：当一个进程申请使用资源的时候，银行家算法通过先 试探 分配给该进程资源，然后通过安全性算法判断分配后的系统是否处于安全状态，若不安全则试探分配作废，让该进程继续等待。
  假设资源 P1 申请资源，银行家算法先试探的分配给它（当然先要看看当前资源池中的资源数量够不够），若申请的资源数量小于等于 Available，然后接着判断分配给 P1 后剩余的资源，能不能使进程队列的某个进程执行完毕，若没有进程可执行完毕，则系统处于不安全状态（即此时没有一个进程能够完成并释放资源，随时间推移，系统终将处于死锁状态）。
  若有进程可执行完毕，则假设回收已分配给它的资源（剩余资源数量增加），把这个进程标记为可完成，并继续判断队列中的其它进程，若所有进程都可执行完毕，则系统处于安全状态，并根据可完成进程的分配顺序生成安全序列（如 {P0，P3，P2，P1} 表示将申请后的剩余资源 Work 先分配给 P0->回收（Work+已分配给P0的A0=Work）-> 分配给P3 -> 回收（Work+A3=Work）-> 分配给P2 ->… 满足所有进程）。

  银行家算法详情可见：《一句话+一张图说清楚——银行家算法》 。

  死锁的避免(银行家算法)改善了 资源使用率低的问题，但是它要不断地检测每个进程对各类资源的占用和申请情况，以及做 安全性检查，需要花费较多的时间。

(3)死锁检测

对资源的分配加以限制可以 预防和避免 死锁的发生，但是都不利于各进程对系统资源的充分共享。解决死锁问题的另一条途径是 死锁检测和解除 (这里突然联想到了乐观锁和悲观锁，感觉死锁的检测和解除就像是 乐观锁 ，分配资源时不去提前管会不会发生死锁了，等到真的死锁出现了再来解决嘛，而 死锁的预防和避免 更像是悲观锁，总是觉得死锁会出现，所以在分配资源的时候就很谨慎)。

这种方法对资源的分配不加以任何限制，也不采取死锁避免措施，但系统 定时地运行一个 “死锁检测” 的程序，判断系统内是否出现死锁，如果检测到系统发生了死锁，再采取措施去解除它。

进程-资源分配图

操作系统中的每一刻时刻的 系统状态 都可以用 进程-资源分配图 来表示，进程-资源分配图是描述进程和资源申请及分配关系的一种有向图，可用于 检测系统是否处于死锁状态。

用一个方框表示每一个资源类，方框中的黑点表示该资源类中的各个资源，每个键进程用一个圆圈表示，用 有向边 来表示进程申请资源和资源被分配的情况。

图中 2-21 是进程-资源分配图的一个例子，其中共有三个资源类，每个进程的资源占有和申请情况已清楚地表示在图中。在这个例子中，由于存在 占有和等待资源的环路 ，导致一组进程永远处于等待资源的状态，发生了 死锁。

进程-资源分配图 中存在环路并不一定是发生了死锁。因为循环等待资源仅仅是死锁发生的必要条件，而不是充分条件。图 2-22 便是一个有环路而无死锁的例子。虽然进程 P1 和进程 P3 分别占用了一个资源 R1 和一个资源 R2，并且因为等待另一个资源 R2 和另一个资源 R1 形成了环路，但进程 P2 和进程 P4 分别占有了一个资源 R1 和一个资源 R2，它们申请的资源得到了满足，在有限的时间里会归还资源，于是进程 P1 或 P3 都能获得另一个所需的资源，环路自动解除，系统也就不存在死锁状态了。

死锁检测步骤

知道了死锁检测的原理，我们可以利用下列步骤编写一个 死锁检测 程序，检测系统是否产生了死锁。

1. 如果进程-资源分配图中无环路，则此时系统没有发生死锁。
2. 如果进程-资源分配图中有环路，且每个资源类仅有一个资源，则系统中已经发生了死锁。
3. 如果进程-资源分配图中有环路，且涉及到的资源类有多个资源，此时系统未必会发生死锁。如果能在进程-资源分配图中找出一个 既不阻塞又非独立的进程，该进程能够在有限的时间内归还占有的资源，也就是把边给消除掉了，重复此过程，直到能在有限的时间内 消除所有的边，则不会发生死锁，否则会发生死锁。(消除边的过程类似于 拓扑排序)

(4)死锁解除

死锁解除的常用两种方法为进程终止和资源抢占。

• 所谓进程终止是指简单地终止一个或多个进程以打破循环等待，包括两种方式：终止所有死锁进程和一次只终止一个进程直到取消死锁循环为止。

• 所谓资源抢占是指从一个或多个死锁进程那里抢占一个或多个资源，此时必须考虑三个问题：

  • 选择一个牺牲品
  • 回滚：回滚到安全状态
  • 饥饿（在代价因素中加上回滚次数，回滚的越多则越不可能继续被作为牺牲品，避免一个进程总是被回滚）

一些算法

鸵鸟算法

鸵鸟算法的实质：出现死锁的概率很小，并且出现之后处理死锁会花费很大的代价，还不如不做处理，OS 中这种置之不理的策略称之为鸵鸟算法。所以鸵鸟算法，是平衡性能和复杂性而选择的一种方法，该算法可以应用在极少发生死锁的的情况下。

为什么叫鸵鸟算法呢，因为传说中鸵鸟看到危险就把头埋在地底下，可能鸵鸟觉得看不到危险也就没危险了吧。跟掩耳盗铃有点像。