死锁产生的原因和必要条件及预防死锁的方法及死锁的检测与解除

产生死锁的原因和必要条件：

产生死锁的原因：

1.竞争资源。当系统中供多个进程共享的资源如打印机，公用队列等，其数目不足以满足诸进程的需要时，会引起诸进程对资源的竞争而产生死锁。

2.进程推进顺序非法。进程在运行过程中，请求和释放资源的顺序不当，也同样会导致产生进程死锁。

如果系统资源充足，进程的资源请求都能够得到满足，死锁出现的可能性就很低，否则就会因争夺有限的资源而陷入死锁。其次，进程运行推进顺序与速度不同，也可能产生死锁。

3.资源分配不当

产生死锁的四个必要条件：

（1） 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。

（2） 请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。

（3） 不剥夺条件:进程已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。

（4） 循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

这四个条件是死锁的必要条件，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。

预防死锁的方法：

1.破坏“互斥”条件:就是在系统里取消互斥。若资源不被一个进程独占使用，那么死锁是肯定不会发生的。但一般来说在所列的四个条件中，“互斥”条件是无法破坏的。因此，在死锁预防里主要是破坏其他几个必要条件，而不去涉及破坏“互斥”条件。

2.破坏“占有并等待”条件:破坏“占有并等待”条件，就是在系统中不允许进程在已获得某种资源的情况下，申请其他资源。即要想出一个办法，阻止进程在持有资源的同时申请其他资源。

方法一：创建进程时，要求它申请所需的全部资源，系统或满足其所有要求，或什么也不给它。这是所谓的 “ 一次性分配”方案。
方法二：要求每个进程提出新的资源申请前，释放它所占有的资源。这样，一个进程在需要资源S时，须先把它先前占有的资源R释放掉，然后才能提出对S的申请，即使它可能很快又要用到资源R。

3.破坏“不可抢占”条件：破坏“不可抢占”条件就是允许对资源实行抢夺。
方法一：如果占有某些资源的一个进程进行进一步资源请求被拒绝，则该进程必须释放它最初占有的资源，如果有必要，可再次请求这些资源和另外的资源。
方法二：如果一个进程请求当前被另一个进程占有的一个资源，则操作系统可以抢占另一个进程，要求它释放资源。只有在任意两个进程的优先级都不相同的条件下，方法二才能预防死锁。

4.破坏“循环等待”条件：破坏“循环等待”条件的一种方法，是将系统中的所有资源统一编号，进程可在任何时刻提出资源申请，但所有申请必须按照资源的编号顺序（升序）提出。这样做就能保证系统不出现死锁。

利用银行家算法避免死锁：

银行家算法:

设进程i提出请求Request[j]，则银行家算法按如下规则进行判断。

(1) 如果Request[j]≤Need[i,j]，则转向（2），否则认为出错。

(2) 如果Request[j]≤Available[j]，则转向（3）；否则表示尚无足够资源，Pi需等待。

(3) 假设进程i的申请已获批准，于是修改系统状态：

Available[j]=Available[j]-Request[i]

Allocation[i,j]=Allocation[i,j]+Request[j]

Need[i,j]=Need[i,j]-Request[j]

(4)系统执行安全性检查，如安全，则分配成立；否则试探险性分配作废，系统恢复原状，进程等待。

安全性检查：

(1) 设置两个工作向量Work=Available；Finish[i]=False

(2) 从进程集合中找到一个满足下述条件的进程，

     Finish [i]=False;

     Need[i,j]≤Work[j];

     如找到，执行(3)；否则，执行(4)

(3) 设进程获得资源，可顺利执行，直至完成，从而释放资源。

    Work[j]=Work[i]+Allocation[i,j];

    Finish[i]=True;

    Go to step 2;

(4) 如所有的进程Finish[i]=true，则表示安全；否则系统不安全。

代码实现：https://github.com/wangiijing/banker-s-algorithm

死锁的检测与解除：

资源分配图：

系统死锁，可利用资源分配图来描述。如图2-17所示，用圆圈代表一个进程，用框代表一类资源。由于一种类型的资源可能有多个，用框中的一个点代表一类资源中的一个资源。从进程到资源的有向边叫请求边，表示该进程申请一个单位的该类资源；从资源到进程的边叫分配边，表示该类资源已经有一个资源被分配给了该进程。

在图2-17所示的资源分配图中，进程P1已经分得了两个R1资源，并又请求一个R2 资源；进程P2分得了一个R1和一个R2资源，并又请求一个R1资源。
死锁定理：

可以通过将资源分配图简化的方法来检测系统状态S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（即找出一条有向边与它相连，且该有向边对应资源的申请数量小于等于系统中已有空闲资源数量。若所有的连接该进程的边均满足上述条件，则这个进程能继续运行直至完成，然后释放它所占有的所有资源）。消去它所有的请求边和分配边，使之成为孤立的结点。在图2-18(a)中，P1是满足这一条件的进程结点，将P1的所有边消去，便得到图248(b)所示的情况。

2) 进程Pi所释放的资源，可以唤醒某些因等待这些资源而阻塞的进程，原来的阻塞进程可能变为非阻塞进程。在图2-17中，进程P2就满足这样的条件。根据第1) 条中的方法进行一系列简化后,若能消去图中所有的边，则称该图是可完全简化的，如图2-18(c)所示。

S为死锁的条件是当且仅当S状态的资源分配图是不可完全简化的,该条件为死锁定理。

死锁的解除：

一旦检测出死锁，就应立即釆取相应的措施，以解除死锁。死锁解除的主要方法有：

1) 资源剥夺法。挂起某些死锁进程，并抢占它的资源，将这些资源分配给其他的死锁进程。但应防止被挂起的进程长时间得不到资源，而处于资源匮乏的状态。

2) 撤销进程法。强制撤销部分、甚至全部死锁进程并剥夺这些进程的资源。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。

3) 进程回退法。让一（多）个进程回退到足以回避死锁的地步，进程回退时自愿释放资源而不是被剥夺。要求系统保持进程的历史信息，设置还原点。