操作系统 | 学习笔记 | 王道 | 2.4死锁
2.4 死锁
文章目录
- 2.4 死锁
- 2.4.1 死锁的概念
- 2.4.2 死锁预防
- 2.4.3 死锁避免
- 2.4.4 死锁检测和解除

2.4.1 死锁的概念
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死锁的定义
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。
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死锁、饥饿、死循环的区别
-
共同点:都是进程无法顺利向前推进的现象(故意设计的死循环除外)
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区别:
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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。两个以上程序
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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。单个程序
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”
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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。
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死锁产生原因
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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。
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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。
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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操柞在实现同步的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)
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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: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,即 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(如上图 Pn 可以同时请求 P1 或者 Pk 的资源,得到 Pk 资源后,不会发生死锁)。 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。
-
死锁处理策略
- 死锁预防。设置某些限制条件,破坏产生死锁的4个必要条件中的一个或几个。
- 避免死锁。在资源的动态分配过程中,用某种方法防止系统进入不安全状态。
- 死锁的检测及解除。无须采取任何限制性措施,允许进程在运行过程中发生死锁。通过系统的检测机构及时地检测出死锁的发生,然后采取某种措施解除死锁。
死锁的几种处理策略的比较见下表。
资源分配策略 各种可能模式 主要优点 主要缺点 死锁预防 保守,宁可资源闲置 一次请求所有资源,资源剥夺,资源按序分配 适用于突发式处理的进程,不必进行剥夺 效率低,进程初始化时间延长;剥夺次数过多;不便灵活申请新资源 死锁避免 是“预防”和“检测”的折中(在运行时判断是否可能死锁) 寻找可能的安全允许顺序 不必进行剥夺 必须知道将来的资源需求;进程不能被长时间阻塞 死锁检测 宽松,只要允许就分配资源 定期检查死锁是否已经发生 不延长进程初始化时间,允许对死锁进行现场处理 通过剥夺解除死锁,造成损失
2.4.2 死锁预防
死锁的产生必须满足四个必要条件,只要其中一个或者几个条件不满足,死锁不会发生。
-
破坏互斥条件
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。如: SPOOLing技术。使用 SPOOLing 技术可以把 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…
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破坏不剥夺条件
- 提供两种方案:
- ① 申请资源得不到时,主动释放所占有资源。
- ② 申请资源被其他进程占用时,由 OS 协助剥夺。
- 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;
- 方案 ① 可能导致进程饥饿。
- 提供两种方案:
-
破坏请求和保持条件
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。
策略的缺点: 进程在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
采用 顺序资源分配法。首先给系统中的资源编号,要求进程只能按编号递增顺序请求 资源。
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(类比拓扑排序)。
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,会导致资源浪费;必须按规定次序申请资源,用户编程麻烦。
2.4.3 死锁避免
死锁的避免是在资源动态分配过程中,防止系统进入不安全状态,以避免发生死锁。
-
系统安全状态
- 安全序列: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。
- 安全状态:系统如果存在安全序列,则处于安全状态,安全状态一定不发生死锁。安全序列可能有多个。
- 不安全状态: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。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)
安全序列的计算方法:
已知现有三个进程的资源分配表如下(可用代表系统还剩有 3 个资源),现假设可用资源每次分配都是全部分配,并且分配给进程的资源总数应满足进程最多还需求的资源数目(如:可用资源有 3 个,由于 P2 进程还需要 2 个资源,因此只能满足 P2),分配完后回收该进程所拥有的全部资源。
计算步骤如下:
因此得到安全序列是 {P2, P1, P3}。
如果计算到 P3 时,可用资源无法满足 P3 的最大需求,即还需要的资源数目多于可用资源数目,那么就不存在安全序列。
注:死锁状态一定是不安全状态,不安全状态不一定是死锁状态,即:死锁状态 ⇒ 不安全状态。
如:A 进程需 10 个资源,而可用资源有 5 个。若 A 还未提出申请,则不会进入死锁状态。
系统进入不安全状态后,便可能进入死锁状态;反之,只要系统处于安全状态,系统变可避免进入死锁。
-
银行家算法
核心思想: 在分配资源前,预先判断这次分配是否会导致系统进入不安全状态,以此来决定是否答应资源分配请求,从而使得系统避免死锁。
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数据结构描述:
- ①可利用资源向量 A v a i l a b l e Available Available(一维数据)
- ②最大需求矩阵 M a x Max Max
- ③分配矩阵 A l l o c a t i o n Allocation Allocation
- ④需求矩阵 N e e d Need Need
其中, N e e d = M a x − A l l o c a t i o n Need=Max-Allocation Need=Max−Allocation
注: A v a i l a b l e ( A , B , C ) = ( 3 , 3 , 2 ) Available(A,B,C)=(3,3,2) Available(A,B,C)=(3,3,2)代表可用的 A 类资源数目有 3 个,B 类资源数目有3个,C 类资源数目有 2 个。
-
银行家算法描述
设 R e q u e s t i Request_i Requesti是进程Pi的请求向量, R e q u e s t i [ j ] = K Request_i[j]=K Requesti[j]=K表示进程 P i Pi Pi需要 j j j类资源 K K K个。
-
①若 R e q u e s t i [ j ] ≤ N e e d [ i , j ] Request_i[j]≤Need[i,j] Requesti[j]≤Need[i,j],检查此次申请是否超过最多还需求数。
-
②若 R e q u e s t i [ j ] ≤ A v a i l a b l e [ j ] Request_i[j]≤Available[j] Requesti[j]≤Available[j],检查系统的可用资源是否还能满足此次需求。
-
③系统试探着把资源分配给 P i Pi Pi,并修改下面数据结构的数值:
A v a i l a b l e = A v a i l a b l e − R e q u e s t i Available=Available-Request_i Available=Available−Requesti,修改i进程剩余可用资源数
A l l o c a t i o n [ i , j ] = A l l o c a t i o n [ i , j ] + R e q u e s t i [ j ] Allocation[i,j]=Allocation[i,j]+Request_i[j] Allocation[i,j]=Allocation[i,j]+Requesti[j],i进程已分配资源数加上本次请求资源数
N e e d [ i , j ] = N e e d [ i , j ] − R e q u e s t i [ j ] Need[i,j]=Need[i,j]-Request_i[j] Need[i,j]=Need[i,j]−Requesti[j],i进程还需的资源数减去本次请求的资源数
-
④执行安全性算法,检查系统是否处于安全状态,即检查当前系统是否存在安全序列。
若系统安全,才正式将资源分配给 P i Pi Pi;否则此次试探分配作废,恢复原来分配状态。
注:安全性算法是银行家算法的核心。
-
-
安全性算法描述
设置工作向量 W o r k Work Work,表示系统中剩余可用资源数目。算法执行开始时, W o r k = A v a i l a b l e Work=Available Work=Available
- ①初始时安全序列为空。
- ②检查当前的剩余资源是否能满足某个进程的最大需求。如果可以就将它加入安全序列;若找不到执行步骤④
- ③把该进程持有资源全部回收,返回步骤②
- ④若此时安全序列中已有所有进程,则系统处于安全状态,否则处于不安全状态。
-
例题
假设当前系统中资源分配和剩余情况如下表所示,现 P 1 P1 P1发出请求向量 R e q u e s t 1 ( 1 , 0 , 2 ) Request_1(1,0,2) Request1(1,0,2),判断此次请求是否分配成功。
-
① 系统按银行家算法进行检查:
R e q u e s t 1 ( 1 , 0 , 2 ) ≤ N e e d 1 ( 1 , 2 , 2 ) Request_1(1,0,2)≤Need_1(1,2,2) Request1(1,0,2)≤Need1(1,2,2), R e q u e s t 1 ( 1 , 0 , 2 ) ≤ A v a i l a b l e ( 3 , 2 , 2 ) Request_1(1,0,2)≤Available(3,2,2) Request1(1,0,2)≤Available(3,2,2)
此次申请未超过 P 1 P1 P1进程最多还需求数,并且当前可用资源数可满足此次申请,则可试探的为 P 1 P1 P1分配资源,并修改:
A v a i l a b l e = A v a i l a b l e − R e q u e s t 1 = ( 2 , 3 , 0 ) Available=Available-Request_1=(2,3,0) Available=Available−Request1=(2,3,0)
A l l o c a t i o n 1 = A l l o c a t i o n 1 + R e q u e s t 1 = ( 3 , 0 , 2 ) Allocation_1=Allocation_1+Request_1=(3,0,2) Allocation1=Allocation1+Request1=(3,0,2)
N e e d 1 = N e e d 1 − R e q u e s t 1 = ( 0 , 2 , 0 ) Need_1=Need_1-Request_1=(0,2,0) Need1=Need1−Request1=(0,2,0) -
② 系统执行安全性算法检查安全状态:
令 W o r k = A v a i l a b l e = ( 2 , 3 , 0 ) Work=Available=(2,3,0) Work=Available=(2,3,0),执行安全性算法,如下表所示:
由安全性检查而知,可以找到一个安全序列 { P1, P3, P4, P0, P2 },因此系统是安全的,可以将P1所申请的资源分配给他。
-
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2.4.4 死锁检测和解除
如果系统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,系统应当提供死锁检测和解除的手段。
-
资源分配图
系统死锁可利用 资源分配图 来描述。圆代表一个进程,框代表一类资源,框中一个圆代表一类资源中的一个资源。
- 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:
- 请求边:表示进程想申请几个资源(每条边代表一个)
- 分配边:表示已经为进程分配了几个资源(每条边代表一个)
- 两种结点:
-
死锁定理
简化资源分配图可检测系统状态是否为死锁状态。简化方法如下:
① 在资源分配图中,找出 既不阻塞又不是孤点的进程 Pi。
- 不阻塞:表示进程申请的资源可以被满足,如 P1 进程。由于 R2 资源除分配给 P2 进程一个资源外,还剩有一个资源,因此 P1 进程申请的 R2 资源可以被满足。相反,P2 进程申请 R1 资源则不会被满足,由于 R1 资源全部被分配完。
- 不是孤点:表示与该进程节点至少一个边相连。
② 消去进程所有的请求边和分配边,使之成为孤点。
重复以上步骤,若能消去图中所有的边,则称该图是可完全简化的。
注: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。
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
-
死锁解除
一旦检测出死锁的发生,就应该立即解除死锁。解除死锁的主要方法有:
-
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。
-
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。撤销的原则可以按进程优先级和撤销进程代价的高低进行。
-
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。进程回退时,自愿释放资源而非剥夺。这就要求系统要记录进程的历史信息,设置还原点。
注:撤销进程法中参考的优先级,应考虑: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等因素。
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