【操作系统】第七章 死锁

死锁：某个进程申请资源，如果这时资源不可用，那么该进程进入等待状态。如果所申请的资源被其他等待进程占有，那么该等待进程有可能再也无法改变其状态。

7.1 系统模型
1）进程使用资源顺序：申请（wait()）、使用（CS）、释放（signal()）；

7.2 死锁特征
1）死锁的必要条件：
a）互斥（至少有一个资源处于非共享模式）；
b）占有并等待（一个进程必须占有至少一个资源，并等待另一个资源，而该资源为其他进程所占有）；
c）非抢占（资源不能被抢占）；
d）循环等待（等待进程{P0,P1,…,Pn}，P0等待资源为P1占有，P1等待资源为P2占有，循环下去）；
当这四个条件同时满足就会引起死锁。
2）资源分配图：如果分配图没有环，那么系统就没有进程死锁，如果资源分配图有环，那么可能存在死锁（如果每个资源都只有一个实例则必定死锁，环是死锁存在的充分必要条件；如果环上有些资源不止一个实例可能出现死锁，环是死锁存在的必要条件而不是充分条件），如下图（操作系统书第213面）

7.3 死锁处理方法
1）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；
2）可允许系统进入死锁状态，然后检测它，并加以恢复；
3）可忽视这个问题，认为死锁不可能在系统内发生（为大多数操作系统所用，包括UNIX和Windows）。

7.4 死锁预防
思路：确保死锁发生的四个必要条件中的一个必要条件不成立，就能预防死锁发生。
副作用：低设备使用率和系统吞吐率。
1） 互斥：通过共享资源不要求互斥访问，但通常不能这样做，因为有的资源本身就是非共享的；
2） 占有并等待：必须保证一个进程申请一个资源时它不能占有其他资源；
a) 解决：可以让进程在执行前一次性申请并获得所有资源，也可以让进程在没有资源时才可以申请资源；
b) 缺点：资源利用率比较低（可能申请的资源过早而导致很长一段时间不用资源）；饥饿（可能永久等待资源）；
3） 非抢占：
a) 解决：如果一个进程占有资源并申请另一个不能立即分配的资源，那么其现有的资源都可被抢占；
b) 适用：状态可以保存和恢复的资源，如CPU寄存器和内存；
4） 循环等待：
a) 解决：给资源类型排序，每个进程只按递增顺序申请资源；

7.5 死锁避免
死锁避免算法：动态地检测资源分配状态以确保循环等待条件不可能成立。
1） 安全状态：如果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，那么系统状态是安全的，更准确地说，如果存在一个安全序列，那么系统处于安全状态；
2） 安全状态不是死锁状态，死锁状态是不安全状态，不安全状态不一定是死锁状态；
3） 资源分配图算法（每种资源类型只有一个实例）（操作系统书第221面）：

4） 银行家算法（每种资源类型可以有多个实例）：
a) 数据结构（n为系统进程的个数，m为资源类型的种类）：
i. Available：长度为m的向量，表示每种资源的现有实例数量；
ii. Max：n*m矩阵，表示进程i对资源j的需求数量；
iii. Allocation：n*m矩阵，表示进程i当前拥有资源j的数量；
iv. Need：n*m矩阵，表示进程i还需要资源j的数量；
v. Requesti[j]：长度为m的向量的其中一个值，表示进程Pi需要资源j的数量；
b) 安全性算法：
i. 初始化：Work=Avaliable，Finish[i]=false(i=0,1,…,n-1)；
ii. 查找：Finish[i]=false && Needi<=Work，如果没有符合条件的i跳到最后一步；
iii. Work=Work+Allocation,，Finish[i]=true，回到第二步；
iv. 如果所有Finish[i]=true，那么系统处于安全状态；
c) 资源请求算法：
i. 如果Requesti<=Needi，那么跳到第二步，否则出错（进程Pi已超过了其最大请求）；
ii. 如果Requesti<=Available，那么跳到第三步，否则，Pi必须等待（因为没有可用资源）；
iii. 分配：Available = Available – Requesti; Allocationi = Allocationi + Requesti; Needi = Needi – Requesti；
如果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，如果产生的资源分配状态是不安全的，那么进程Pi必须等待Requesti并恢复到原来资源分配状态；
5） 实例：手动模拟书上例子可以加深印象；

7.6 死锁检测
额外开销：维护所需要信息和执行检测算法的运行开销，死锁恢复所引起的损失。
1） 等待图算法（每种资源类型可以有多个实例）：
a) 判定：当等待图中有一个环时，系统存在死锁（操作系统书第224面）；

2） （每种资源类型可以有多个实例）：
a) 数据结构（n为系统进程的个数，m为资源类型的种类）：
i. Available：长度为m的向量，表示每种资源的现有实例数量；
ii. Allocation：n*m矩阵，表示进程i当前拥有资源j的数量；
iii. Requesti[j]：长度为m的向量的其中一个值，表示进程Pi需要资源j的数量；
b) 算法：
i. 初始化：Work=Avaliable，如果Allocationi不为0，则Finish[i]=false，否则Finish[i]=true（当前不占有资源，不会处于死锁状态里面，可以忽略这些进程）；
ii. 查找Finish[i]=false && Requesti<=Work，如果没有这样的i，转到第四步；
iii. Work=Work+Allocationi，Finish[i]=true，转到第二步；
iv. 如果有i存在Finish[i]==false，系统处于死锁状态，且表明进程Pi死锁。

7.7 死锁恢复
1） 进程终止：
a) 终止所有死锁进程：代价大，计算结果需要放弃，可能需要重新计算很多；
b) 一次只终止一个进程直到取消死锁循环为止：开销相当大，每一次终止一个进程都需要调用死锁检测算法；
2） 资源抢占：逐步从进程中抢占资源给其他进程使用，知道死锁环被打破为止，需要处理：
a) 选择一个牺牲品；
b) 回滚（从一个进程抢占了资源需要对该进程进行回滚）；
c) 饥饿（一个进程可能总被选择作牺牲）；