【操作系统】二、进程管理：4.死锁（银行家算法、系统安全状态、静态分配策略、资源有序分配法）

五、死锁

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五、死锁

死锁：资源在对方手中，它要的资源在我手中，谁也不给谁 。至少有两个或以上的进程同时发"死锁"。

【规范】在并发环境下（多道程序环境中），各进程因竞争有限的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。

饥饿：长期得不到想要的资源，这个资源不一定在哪里。可能是只有一个进程"饥饿"。

【规范】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。

死锁、饥饿是操作系统分配资源不合理的问题，死循环是程序员代码逻辑错误的问题。

1.产生

1.1产生情况

对不可剥夺资源的不合理分配就可能导致死锁。

独占资源分配不当
竞争不可抢占资源。

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。

竞争可消耗资源。
进程推进顺序不当。

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。

信号量使用不当。

例如：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）。

1.2产生的4个必要条件

产生死锁必须同时满足一下四个条件，只要其中任一条件不成立，死锁就不会发生。

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）。
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，但又对自己己有的资源保持不放。
不可抢占条件（不可剥夺）：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。
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）。

2.处理方式

不允许发生死锁
- 静态策略：预防死锁：破坏死锁产生的四个必要条件中的一个或几个。
- 动态策略：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)。
允许发生死锁
- 检测死锁
- 解除死锁

这4种处理方式中，从严到宽，即并发性从小到大排序：

预防 < 避免（银行家）< 检测（死锁定理、资源分配图）< 解除

2.1预防死锁

破坏四个条件就可以预防死锁。所以有4个策略：

2.1.1破坏互斥条件

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。

例如：用SPOOLing技术将打印机改造为共享设备。使用了SPOOLing技术，在进程和设备之间，添加一个中转站可以直接接受请求，然后自己再后续操作打印机。那么在各进程看来，自己对打印机资源的使用请求立即就被接收处理了，不需要再阻塞等待。

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。

2.1.2破坏请求和保持条件

一次性分配策略（静态分配策略）：一次性申请其在运行过程中的所需的所有资源，在它的资源未满足前，不让它投入运行。

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。
资源被释放就会马上被分配，那么某一个进程需要的两种资源不能同时获得，就需要一直等待，可能导致饥饿。

2.1.3破坏不可抢占条件

可剥夺资源：当它请求不到新资源的时候，就要放弃所有的资源。

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）

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；
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。

2.1.4破坏循环等待条件

资源有序分配法（顺序资源分配法） ：限制用户申请资源的顺序 。系统给每类资源一个编号，每一个进程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，释放则相反。

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"循环等待链"，循环等待的现象。所以在任何一个时刻，总有一个进程拥有的资源编号是最大的，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。

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。

2.2避免死锁

2.2.1系统安全状态

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。

❗2.2.2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。

【2019年408真题】银行家算法是一种死锁避免算法，不能判断系统是否处于死锁。

2.3检测死锁

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。

用某种数据结构来保存资源的请求和分配信息；
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。

如图所示，R1有3个分配边，意味着R1的资源3个已经全部分配出去了，那么此时的P2的请求资源就不能被满足了；但是P1的请求资源可以被满足，因为R2还剩1个资源，P1进程可以执行。P1完成后就会把分配的资源还回去，那么就消除分配边，那么P2的请求此时就可以被满足了。所以不死锁。

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。

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。

2.4解除死锁

三种方法

终止所有死锁进程。
逐个终止死锁进程。

又分为三类。
付出代价最小的死锁解除算法。

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。
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，所以也难以实现。

根据下面，选择要解除的进程：

进程优先级。选择优先级低的进行解除。
进程执行了多少时间，还需要多少时间。选择使用(执行)时间少的解除。（因为执行时间长的都已经执行了好久了，现在解除可能要重头再来）
进程使用了多少资源，还需要多少资源。选择使用资源多的。（解除这种占有的资源多的进程，死锁可能会更快的解除）
进程是交互式的，还是批处理式的。选择批处理式的。（用户使用的是交互式的，需要及时反馈，不适合解除）