操作系统之死锁与死锁的处理

        操作系统中死锁是指多个进程在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局。具体来讲在多进程环境中，当一个进程请求资源时，如果该资源不能立即获得，那么进程就会进入等待状态。若果一个处于等待状态的进程P(i)，由于所等待的资源被另一个处于等待状态的进程p(j)（i！=j）所持有，而p(j)所请求的资源又被p(i)持有，这样它们所请求的资源都不会获得，两进程一直处于等待状态，形成死锁。

 一、形成死锁的四个必要条件：

1、互斥(Mutual exclusion)。进程对所分配到的资源进行排它性使用，在一段时间内某资源只由一个进程占用。

2、持有并等待(Hold and wait)。指某个进程已经持有了一个或多个资源，但是还要请求其他资源，而它请求的资源不能立即获得，需要等待。

3、不可抢占(No preemption)。即进程已经获取的资源在使用过程中不能被其他进程抢占，只能在使用完后，由该进程自己释放。

4、环路等待(Circular wait)。即形成进程和请求资源之间的环路，如图：

矩形的代表进程，圆形代表资源，实线表示已经持有的资源，虚线表示正在请求的资源。

二、死锁的处理

     死锁的处理包括：不允许死锁的发生；允许死锁的发生，但是可以检测并恢复；忽略该问题（这就是当机器卡死时，重启可以解决的原理所在）。

2.1、死锁的预防（Deadlock Prevention）

    死锁的预防即不允许死锁的发生，可以从破除死锁发生的四个必要条件入手。因为如果不具备上述四个必要条件，那么死锁就一定不会发生。

 （1）互斥：不容易破除

 （2）占有并等待：两种破除方式，不持有并等待，即如果一个进程一次请求获取不了所有资源，那么它不可占用任何资源（释放掉它已经占有的资源）。持有不等待，资源充足，只要申请求资源，就给其资源，不让它等待。

 （3）不可抢占：如果一个进程所请求的资源被另一进程占有，使它可以抢占另一进程占有的资源。

 （4）环路等待：对资源进行排序，即每个进程访问资源的顺序是固定的。

2.2、死锁的避免（Deadlock Avoidance）

     死锁的预防通过破除必要条件来使死锁一定不会发生。而死锁的预防则是允许四个必要条件的发生，但是通过一些措施使得条件不会从必要条件转为充分条件。打个比方，如果死锁是地雷并且埋在一个区域的话，死锁预防是压根就不进入雷区，而死锁避免是从雷区中找到一条安全道路。即每一步都要确保处于安全状态，安全状态是指系统能按某个顺序为每个进程分配资源（不超过其最大值）并能避免死锁，那么系统状态就是安全的。即如果存在一个安全序列，那么系统处于安全状态。如果没有这样的顺序存在，那么系统处于不安全状态。而死锁避免就是要通过一些方法找到这样一个安全序列，使系统不会发生死锁。

（1）资源请求图算法

利用资源分配图，引入需求边Pi→Rj表示进程Pi可能在将来某个时候申请资源Rj。只有申请边变为分配边而不会导致资源分配图形成环时，才允许申请。如果没有环存在，那么会使得系统处于安全状态，如果有环存在则分配会导致系统处于不安全状态。如图：

假如进程P2申请资源R2。虽然R2现在可用，但是不能分配给P2，因为这会创建一个环，环表示系统处于不安全状态，如果P1再申请R2就会造成死锁。

（2）银行家算法

        当新进程进入系统时，它必须说明其可能需要的各种类型资源实例的最大数量，这一数量不能超过当前系统资源的总和。当用户申请一组资源时，系统必须确定这些资源的分配是否仍会使系统出于安全状态，如果是，就分配资源；否则，进程必须等待直到某个其他进程释放足够资源为止。

银行家算法包括安全性算法和资源请求算法：

安全性算法

定义以下几个变量Available，Max，Allocation，Need。

Available：表示当前可用的资源量

Max：表示进程所需要的最大资源

Allocation：表示进程已经占有的资源量

Need：表示进程还需要的资源量

确定计算机是否处于安全状态需要以下几步：

          1 创建Work 和 Finish 向量，并且Work = Avallable，将Finish的每一项置为false

          2 查找是否存在这样的i使得满足：

             Finish[i] = false

             Needi <= Work

如果不存在则跳到第四步。

          3 Work = Work + Allocationi

              Finish[i] = true

跳回第二步

          4 如果对所有的ｉ，Finish[i] = true,那么系统处于安全状态。

通俗的讲就是先寻找没有执行完并且所需资源小于可用资源的进程，若存在这样的进程，则将可用资源分配给这个进程，使这个进程执行完毕，进程执行完毕后会释放掉它占有的资源，于是可用资源增加，然后继续循环去找满足条件的进程，直到所有进程所需资源都被满足，这样可以确保系统一直处于安全状态。

资源请求算法

         资源请求算法可以看做安全性算法的升级，它不在只考量进程已经拥有的和所需要的，而是又引入了每次请求所需的资源。每次请求所需的资源一定小于等于它所需的总资源，资源请求算法需要考虑的是当每次请求来时是否立即满足其要求。

设Request进程pip的请求向量。即如果Requesti[j]==k ，那么Pi所需要资源类型Rj的实例数量为k。

当进程Pi做出资源申请时，采取如下动作：

• 1 如果Requesti<Needi，那么进行下一步，否则产生出错条件，因为请求已经超过了其所需的最大资源。
• 2如果Ruquest < Available，那么进行下一步，否则Pi必须等待，因为没有可用的资源。
• 3 假定系统可以分配给进程Pi所需的资源，并按如下方式修改状态：

Available=Available−Requesti

Allocationi=Allocationi+Requesti

Needi=Needi−Requesti

如果所产生的资源分配状态是安全的，那么交易完成且进程Pi可分配到其所需要的资源。然而，如果新状态不安全，那么进程Pi必须等待Requesti并回复到原资源分配状态。（可以再以上面安全性算法来判断是否处于安全性状态）。

          安全性算法和资源请求算法的一些区别：安全性算法是只要满足进程所需资源小于系统的可用资源就可以给它分配资源（因为它获得了它所需要的所以资源，可以执行完毕，从而它之前占有的资源会释放）；而资源请求算法当请求的资源小于系统可用资源时，系统并不能立即给它分配资源，还需要判断剩余的资源是否仍旧可以使系统处于安全状态，若处于安全状态才可以分配，否则需要等待。这是因为进程一次请求的资源一般是小于其所需的资源，所以即使它获取到请求的资源，也不能够执行完毕（因为还需要资源），不能执行完毕那他占有的资源就不能释放，系统的可用资源会减少（分配出去了资源却没有获得资源），系统可能由安全状态转为不安全状态，所以需要在判断后再决定是否满足请求。