操作系统（十）----死锁的产生

第十二讲死锁。本讲的内容包括对死锁的基本概念进行介绍呃，资源分配图来表示死锁的一个状态。 死锁预防、死锁避免、 死锁 检测与解除，这三个是关于对死锁问题的解决方案 最后呢我们以哲学家就餐问题为一个实例，来介绍对于死锁这样一个主题如何从各个方面来解决这样一些问题首先我们来介绍一下死锁的基本概念 这里我们给出了死锁的定义。什么是死锁呢？死锁呢是在一组进程当中其中每一个进程都无限等待被该组中另一个进程所占有的资源那么它等待 另外一个进程占有资源而另外一个进程也在等待，因此这个进程永远无法得到它所需要的资源 当出现了这种现象，我们就称为进程死锁 那么这一组进程呢就称为死锁进程 为什么我们要研究这个问题呢？因为如果发生了死锁 那么系统中的资源就会大量的浪费 随着资源的不断地消耗最后，可能会导致系统的崩溃所以我们要研究死锁的问题从死锁的定义当中呢，我们可以得到几个推论 第一个呢是参与死锁的所有进程都在等待资源 那么从这个进程状态上说呢，这个进程是处于等待状态阻塞状态。第二个推论呢是指的是说参与死锁的进程是当前系统中所有进程的一个子集也就是它是部分进程，首先发生的现象当然如果这些进程不断地有新的进程进入死锁状态的话，那么这个子集就扩大扩大，那么会导致系统的崩溃 我们来看一下日常生活中的一个死锁的 例子。 那么这是一个典型的十字路口我们知道十字路口里头有四个方向在十字路口中间呢，我们划分了 A、B、C、D 四个区域 现在呢有四个方向上的，同时有车呢到达了 我们现在的所示的位置，那么我们来看一下从 这个方向要通过这个路口的话呢，它可能是需要B和 C 这样一个区域，那它说我要经过B和 C。 那么从 南，比如向北的方向 那么就要需要A和 B 这两个区域 那么当出现了这样一个场景的时候我们来看一下，如果没有交通 控制，那么随意让这些车啊 往前走的话，那么就会出现这样一种现象 也就是换句话说，每一个路口的 位置，被一辆车占住了。 那么比如说从南 向北的车占住了A这个位置 但是它又需要等的B这个位置空出来 同样的道理，从东向西的车也是要等C来空出来，因为它占有了B这个位置 那我们看看到了这样一种情况，那么四辆车都不能往前走了 那么大家都在等，等那个资源让出来。 那么我们说这种现象 就是在日常生活当中的一个死锁 那我们探讨一下，为什么会出现死锁？ 死锁这个现象，在系统运行过程中出现了主要有这样几个内在的原因。 第一个呢是整体系统当中的资源的数量是有限的比如说像刚才那样一个路口那么不管哪辆车它都需要两个资源，就是需要两个路口那么整体就一共就四个路口，那么四辆车呢每个需要两个，那么它们对资源的这个总体的要求呢，实际上呢是由于资源的数量有限，所以导致了死锁的产生。当然还可能由于使用了锁呀，信号量这样的。 由于它们错误的使用，也可能导致死锁的出现那么现在我们着重以资源为一个对象来探讨死锁的问题至于说锁和信号量那么错误的使用呢，那么应该把它交给这个开发人员来进行相应的这个处理 好，那么我们来看一下，资源的使用方式在我们的第一讲当中，我们已经给出了在操作系统当中的资源的一个使用的一般的模式这个模式就是进程提出申请，操作系统呢进行相应的分配。 在分配的过程中如果资源数量有限，暂时进程所需要的资源不能满足的话，那么这个进程就进入了阻塞或等待状态当然如果这个资源可以满足这个进程那么下一步，操作系统进行分配，然后进程去使用资源 当进程使用完这个资源之后呢它把这个资源要归还给系统，释放资源。 因为我们讲的是 在我们现在的操作系统当中，所有资源呢都是一个动态分配的这样一个过程那么由于资源的使用方式是这样一个方式，所以有些进程得不到资源，它就会处于等待阻塞状态 那么，如果资源数量有限的话呢，那么就可能会出现死锁那么我们继续来探讨一下，对于资源的分类从研究死锁的角度，我们把这个资源分成了两类一类呢，叫做可重用资源。 它指的是呢可被多个进程，多次使用对可重用资源呢，我们又把它进一步划分成可抢占的与不可抢占的比如说，在我们所列的这样一些资源当中像 CPU处理器就是一个典型的可抢占资源 那么我们前面在讲进程调度的时候呢，我们用一种抢占式的调度策略 实际上就是，当一个进程在 CPU 上运行的过程中，允许 比它优先级更高的进程的来抢占这个进程的 CPU那么让这个进程暂时呢回到 就绪，然后这个，高优先级的进程呢上CPU运行 这就是可抢占。那么还有一些资源呢，是不可抢占的。比如说打印机，打印机这种资源，当一个进程使用打印机的时候不允许另外一个进程从这个进程手中把打印机夺过来自己用，所以呢我们的资源呢，分成了可抢占的和不可抢占的两类。针对这个可重用资源呢，另外一种类型呢，我们称之为可消耗资源那么可消耗资源呢，它是只使用一次而且它是可以创建，可以消毁的这样的资源。所以它创建的时候呢使用一次，然后呢可能就销毁掉了那么这种资源呢，我们称之为可消耗资源当然可消耗资源呢，在一个系统当中，比如说有信号，比如说中断或者是发来的消息这些呢都是可消耗资源，比如说一旦一个中断来了，如果我们没有及时处理，那么这个中断下一次被别的中断给覆盖掉之后，这个-中断其实就丢失了 所以这是属于可消耗资源。 那么在我们这个 死锁的主题当中，我们所要针对的呢，主要是在可重用资源上如果对这类资源产生了死锁现象，我们来怎么处理？ 啊，至于说可消耗资源呢不在我们这里探讨了那么下面我们来举两个例子。一个是 进程之间呢竞争一个可重用资源比如说我们有两类资源，有一个磁盘文件 有一个磁带，那么有两个进程这个每个进程呢，都要使用这两个资源。那么我们来看一下比如说以进程 Q 那么它呢可能先要申请一个磁带，磁带机 然后它要使用的时候呢，它要把这磁带机先上锁。这样的话呢，它可以以后就是用起来的时候，不受别的进程的干扰然后它又去申请一个磁盘文件。那么它可能要把磁盘文件读到磁带上，或者是把磁带上的文件读到磁盘上，所以呢有一个申请一个磁盘 那然后呢，也要把它上锁，然后执行相应的，比如说，拷贝数据的操作做完这些事情之后呢，我们要解锁解锁，是这样一个过程那么在这里头呢，我们给出这个过程当中，我们可以看到，如果另外一个进程也要使用这-两种资源 当进程 P 拿到了，比如说磁盘这个资源 而进程Q呢拿到了磁带这个资源 而进程P又想要磁带，进程Q又想要磁盘 那这样的话，这两个进程呢实际上就是互相等待，这样的话就导致了死锁那然后我们再看另外一个例子这个例子呢是以内存为例。 假设我们内存呢，现在可以分配的内存呢有 200K那我们看有两个进程 P1 和 P2 ，那么P1 呢，它先申请了80K然后过一会它又要申请 60 K对于 P2来讲呢，它先要申请70 K，然后再要申请80 K ，那么两个进程对资源的一个总和呢是超过了可分配的资源数量的那么如果 P1申请到了 80 K P2申请到了70 K ，它们要再申请它剩余的要的资源呢就都不能满足了因为系统的可用资源已经没了。因此呢P1 和 P2呢也要 等待。那么这样呢，如果系统中没有剩余的资源了，那么这两个进程其实就处于死锁了那么这是进程呢竞争可重用资源，带来的一个死锁的一种可能 那么我们举一个进程竞争可消耗资源的例子尽管我们不对它进行相应的处理，我们可以举一个例子来说明当进程去使用可消耗资源的时候呢，也可能会产生死锁 比如说， P1 它要做的事情是从 P2得到一个消息，然后呢，再给P2发一个信息 而P2呢是要从P1得到消息 然后呢再给P1发个信息。 如果我们的代码是 这样一个编写的顺序，那么P1没有得到P2所发来的消息的时候呢，P1就等待P2呢也没有得到P1发来的消息，P1。P2也在等待 于是它们俩就互相等待，都等对方给自己发消息，就产生了死锁现象那么死锁呢，是系统运行过程中，进程之间可能发生的一种状态那么在系统当中呢，其实我们还有另外两个现象呢，是要和死锁这个概念加以区分的其中一个呢叫活锁，一个呢是饥饿 下面呢，我们来看一个例子。这个例子呢是我们在第四讲进程同步问题的时候呢，列举的这个 Peterson算法 用Peterson算法来解决进程竞争进入临界区的问题。我们来看有两个进程进程 A呢需要使用两个资源。 一个是资源1，一个是资源2那么它调用了enter....region资源1呢，来获取资源1的使用权 然后再去调用enter.....region资源2呢 获取资源2的使用权，然后它可以做 相应的临界区的资源使用工作 之后呢去退出临界区 如果恰好有一个进程B它也要做相同的工作，或者说使用相同的资源 但是它的使用资源的顺序呢是先 使用资源2，啊，先调用enter.....region资源2 ，啊，获取资源2 的 使用权，再去调用enter .....region资源1 获取资源1 的使用权，然后做一些资源的临界区的工作 在一个并发系统当中呢，进程A和进程B呢可以并发执行 如果恰好出现了这样一个情况。 进程A呢 已经拿到了资源1的使用权 然后它被切换，下面是进程B上 CPU执行。 它获取了资源2的使用权 之后 不管是进程A执行，还是进程B执行，我们都会看到enter.....region资源2 ，或者enter.....region资源1，都会导致这个进程 在CPU上忙等待，因为它，我们讲过了 这个Peterson算法呢，它是一个忙等待的一个算法 那么如果进程A上 CPU了，它想获得资源2，那么它就会 不断的去探寻，资源2是不是获得，能获得 进程B也是一样 那么这两个进程其实都可以上CPU执行，但是都没有往前进展 所以我们总结出了这样一个现象 就是首先你要先加锁，啊，实际上我们就说enter.....region获得这个资源，实际上就给资源加锁 然后给这个资源加完锁之后，它就想获得另外一个资源的锁的时候它就要去轮询 我们知道忙等就是轮询。因此，每个都是先加了一个锁然后去轮询下一个资源，然后这个轮询过程中就始终得不到，因此它的状态就是每一个进程可以去上 CPU，然后时间片到了又下CPU没有进展也不阻塞。 它永远能上 CPU，上完CPU之后运行一段时间 得不到资源它就下CPU了，然后再上CPU。 这种现象呢我们把它称之为活锁它得不到资源，但是它总能够有机会去运行不像死锁，死锁是进程进入了等待状态，那么它不会去竞争 CPU 了所以活锁是描述了这样一个场景。另 一个概念呢是饥饿。这是我们都很熟悉的概念 而饥饿呢，是往往由于资源分配的策略所决定是不是会产生饥饿现象所以死锁呢要和活锁、饥饿，啊这样两种其它不同的现象呢，要加以区分下面呢我们探讨一下产生死锁的必要条件。也就是说，如果死锁发生了这四个条件就一定存在。第一个条件呢 是互斥使用，也称之为资源独占它指的是呢，资源的这样一种特性一次只能给一个进程使用。 我们肯定知道像打印机这样的资源一定是一个独占的资源。它具有这样一个性质第二个条件呢，称之为占有且等待也可以说请求和保持或者是部分分配。 那么它指的是进程在申请新的资源的同时保持对原有资源的一个占有那么什么叫做部分分配呢，实际上也是说，我可能需要多种资源，我先拿到了其中一部分资源然后我再去申请另外的资源，所以是部分分配 前面资源拿着，我申请新的资源 如果新的资源得不到，进入等待状态，而 原来申请到资源的，还在这个进程的手里头。这就叫做占有且等待 或者是请求，然后呢还保持。当然了，它的 部分分配是它的一个过程。第三个条件呢我们称之为不可抢占，或者是不可剥夺它指的是资源的申请者不能够强行从资源的占有者手中夺取资源也就是这个资源 一个进程拿到这个资源之后，只能够由资源的占有者主动地来，自愿地来释放。 好，那么这就是第三个条件第四个条件呢，我们称之为循环等待 所谓循环等待呢是指在系统中，假设有这样一个进程的等待序列那么不失一般性的，我们把它表示成 P1 P2到 Pn，有n个进程的这样一个进程等待序列它们满足呢P1等待 P2 所占有的资源也就是 P1它申请一个资源，这个资源呢 被P2这个进程所占有，而P2呢又等待P3 占有的资源。那么如此Pn 因为是一个循环等待，所以Pn呢 等待的是 P1 占有的资源 这样的话就形成了这样一个循环的等待的对列。也就是进程存在一个等待的环路那么这就是产生死锁的四个必要条件 当出现死锁之后，这四个条件都成立其中，任何一个条件不成立的话，就一定没有死锁发生