操作系统概念学习笔记 13

死锁（一）

系统模型

进程在使用资源之前必须先申请资源，在使用资源之后要释放资源。进程所申请的资源数量不能超过系统所有资源的总量。

在正常操作模式下，进程只能按如下顺序使用资源：

• ①申请：如果申请不能立即被允许，那么申请进程必须等待，直到它获得该资源为止。
• ②使用：进程对资源进行操作。
• ③释放：进程释放资源

资源的申请与释放为系统调用。其他资源的申请与释放可以通过信号量的wait与signal操作或通过互斥锁的获取与释放来完成。因此对于进程和线程的每次使用，操作系统会检查以确保使用进程已经申请并获得了资源。

系统表记录了每个资源是否空闲或已被分配，分配给了哪个进程。如果进程正在申请的资源正在为其他进程所使用，那么该进程会增加到该资源的等待队列。

当一组进程的每个进程都在等待一个事件，而这个事件只能由这一组进程的另一个进程所引起，那么这组进程就处于死锁状态。

死锁也可设计不同的资源类型。多线程可能因为竞争共享资源而容易产生死锁。

死锁特征

当出现死锁时，进程永远不能完成，并且系统资源被阻碍使用，阻止了其他作业开始执行。

必要条件：

如果在一个系统中下面四个条件同时满足，那么会引起死锁。

（1） 互斥：至少有一个资源必须处于非共享模式，即一次只有一个进程使用，如果另一个进程申请该资源，那么申请进程必须等到该资源被释放为止。

（2） 占有并等待：一个进程必须占有至少一个资源，并等待另一资源，而该资源为其他进程所占有。

（3） 非抢占：资源不能被抢占，即资源只能在进程完成任务后自动释放。

（4） 循环等待：有一组等待进程｛P0,P1,P2,P3…,Pn｝,P0等待的资源被P1等待，P１等待的资源被P2所占有，……，Pn-1等待的资源为Pn所占有，Pn所等待的资源被P0所占有。

４个条件必须同时满足才会出现死锁，循环等待条件意味着占有并等待条件，这样四个条件并不完全独立。

资源分配图：

死锁问题可用称为系统资源分配图的有向图进行更为精确地描述。

这种图由一个节点集合Ｖ和一个边集合Ｅ组成。节点集合Ｖ可以分成两种类型的节点：

• Ｐ＝｛P1，P2，…，Pn｝（系统活动进程的集合）
• Ｒ＝｛R1，R2，…，Rn｝（系统所有资源的集合）

Pi -> Rj 表示进程Pi已经申请了资源类型为Rj的一个实例，称为申请边

Rj->Pi表示资源类型Rj已经分配给进程Pi，称为分配边

如一个分配图的例子如下：

可以证明：

如果分配图没有环，那么系统就没有进程死锁。如果分配图有环，那么可能存在死锁。

如果每个类型只有一个实例，环是死锁存在的充分必要条件。过每个类型不止一个实例，环是死锁的必要条件。

存在死锁的资源分配图：

存在环但是没有死锁的资源分配图

死锁处理方法：

有三种方法：

• 可使用协议以预防或避免死锁，确保系统不会进入死锁状态。
• 可允许系统进入死锁状态，然后检测它，并加以修复。
• 可忽略这个问题，认为死锁不可能在系统内发生。

这里第三种方法为绝大多数操作系统所用，因此应用程序开发人员需要自己来处理死锁。

为了确保死锁不会发生，系统可以采用死锁预防或死锁避免方案

死锁预防（deadlock prevention）是一组方法，以确保至少一个必要条件不成立。这些方法通过限制如何申请资源的方法来预防死锁。

死锁避免（deadlock avoidance）要求操作系统事先得到有关进程申请资源和使用资源的额外信息。有了这些额外信息，系统可以确定：对于一个申请，进程是否应等待。为了确定当前申请是允许还是延迟，系统必须考虑可用资源，已经分配给每个进程的资源，每个进程将来申请和释放的资源。

除此之外，系统还可以提供一个算法来检查系统状态来确定死锁是否发生，并提供另一个算法来从死锁中恢复。

预防死锁的副作用是降低设备的使用率和系统的吞吐率。

缺点是低设备使用率和系统吞吐率。

死锁预防：

出现死锁有四个必要条件，只要保证至少一个条件不成立，就能预防死锁的发生。

互斥：

对于非共享资源，必须要有互斥条件（如打印机）。另一方面，共享资源不要求互斥访问，因此不会涉及死锁（如只读文件）。

故通常不能通过否定互斥条件来预防死锁，有的资源本身就是非共享的。

占有并等待：

为了确保占有并等待条件不会在系统内出现，必须保证：当一个进程申请一个资源时，就不能占有其他资源

• 方法一：可以使用的协议是每个进程在执行前申请并获得所有资源。通过要求申请资源的系统调用在所有其他系统调用之前进行。
• 方法二：允许进程在没有资源时才可申请资源，一个进程可申请一些资源并使用它们，然而，在它申请更多其他资源之前，它必须释放其现已分配的所有资源。

这两种协议有两个主要缺点：

• 第一，资源利用率（resource utilization）可能比较低，因为很多资源可能已分配，但长时间没有被使用。
• 第二，可能发生饥饿。一个进程如需要多个常用资源，可能会永久等待，比如因为其所需要的资源中至少一个总是分配给其他的进程。

非抢占：

为确保这一条件不成立，可使用如下协议：

即可以抢占，如果一个进程占用资源并申请另一个不能立即分配的资源，那么其现已分配的资源都可被抢占，即这些资源被隐式地释放了。只有当进程获得其原有资源和所申请的新资源时，进程才可以重新执行。

或者说，如果一个进程申请一些资源，首先检查是否可用，如果可用就分配它们，如果不可用，那么检查这些资源是否已分配给其他等待额外资源的进程。如果是就抢占这些资源，并分配给申请进程。如果资源不可用且也不可被其他等待进程占有，那么申请进程必须等待。当一个进程处于等待时，如果其他进程申请其拥有的资源，那么该进程部分资源可以被抢占。一个进程要重新执行，他必须分配到其所申请的资源，并恢复其在等待时被抢占的资源。

这个协议通常用于状态可以保存和恢复的资源，如CPU寄存器和内存，一般不适用其他资源，如打印机和磁带驱动器。

循环等待：

一个确保此条件不成立的方法是：对所有资源类型进行完全排序，且要求每个进程按递增顺序来申请资源。

设Ｒ＝｛R1，R2，R3，…，Rn｝为资源类型的的集合。为每个资源类型分配一个唯一整数来允许比较两个资源以确定其先后顺序。可定义一个函数Ｆ：R -> N ,其中Ｎ是自然数集合，例如：

Ｆ（tape drive）＝1

Ｆ（disk drive）＝5

Ｆ（printer）＝12

每个进程只按照递增顺序申请资源，即一个进程开始可以申请任意数量的资源类型为Ｒｉ的实例。之后，当且仅当Ｆ（Rj）> Ｆ（Ri）时，该进程可以申请资源Rj的实例。如果需要同一资源类型的多个实例，那么对它们必须一起申请。

例如，对于以上给定函数，一个进程如果同时需要打印机和磁带驱动器，那么就必须先申请磁带驱动器，再申请打印机。换句话说，要求当一个进程申请资源类型Rj时，必须先释放所有Ri（Ｆ（Ri）> Ｆ（Rj））

可以使用反证法证明，使用这两个协议，那么循环等待就不可能成立。

设计一个完全排序或层析并不能防止死锁，而是要靠应用程序员来按顺序编写程序。另外函数Ｆ应该根据系统内资源使用的正常顺序来定义。例如，由于磁带通常在打印机之前使用，所以定义Ｆ（tape drive）< Ｆ（printer）较为合理。