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操作系统~死锁概念、 预防、检测、解除

2021/2/13 17:07:20 文章标签: 测试文章如有侵权请发送至邮箱809451989@qq.com投诉后文章立即删除

文章目录什么是死锁死锁、饥饿、死循环的区别死锁产生的四个必要条件什么时候会发生死锁死锁的处理策略预防死锁破坏互斥条件破坏不剥夺条件破坏请求和保持条件破坏循环等待条件避免死锁银行家算法核心步骤死锁的检测检测死锁的算法:死锁的解除什么是死锁 各进程互相等待对方手…

文章目录

    • 什么是死锁
      • 死锁、饥饿、死循环的区别
      • 死锁产生的四个必要条件
      • 什么时候会发生死锁
      • 死锁的处理策略
    • 预防死锁
      • 破坏互斥条件
      • 破坏不剥夺条件
      • 破坏请求和保持条件
      • 破坏循环等待条件
    • 避免死锁
      • 银行家算法
      • 核心步骤
    • 死锁的检测
      • 检测死锁的算法:
    • 死锁的解除

什么是死锁

各进程互相等待对方手里的资源,导致各进程都阻塞,无法向前推进

死锁、饥饿、死循环的区别

死锁:至少是两个进程一起死锁,死锁进程处于阻塞态
饥饿:可以只有一个进程饥饿,饥饿进程可能阻塞也可能就绪
死循环:可能只有一个进程发生死循环,死循环的进程可上处理机

死锁和饥饿是操作系统要解决的问题,死循环是应用程序员要解决的

死锁产生的四个必要条件

互斥条件
对必须互斥使用的资源的争抢才会导致死锁, 比如消耗性资源和不可抢占式资源
不剥夺条件
进程保持的资源只能主动释放,不可强行剥夺
请求和保持条件
保持着某些资源不放的同时,请求别的资源
循环等待条件
存在一种进程资源的循环等待链
循环等待未必死锁,死锁一定有循环等待

什么时候会发生死锁

对不可剥夺资源的不合理分配,可能导致死锁

死锁的处理策略

预防死锁
破坏死锁产生的四个必要条件
避免死锁
避免系统进入不安全状态(银行家算法)
死锁的检测和解除
允许死锁发生,系统负责检测出死锁并解除

预防死锁

破坏互斥条件

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。

如果把只能互斥使用的资源改造为允许共享使用,则系统不会进入死锁状态。比如: sPoOLing技术。操作系统可以采用SPOQLing 技术把独占设备在逻辑上改造成共享设备。比如,用SPooLing技术将打印机改造为共享设备…
在这里插入图片描述
该策略的缺点: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。

破坏不剥夺条件

不剥夺条件: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。

破坏不剥夺条件:
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)

该策略的缺点:
1.实现起来比较复杂。
⒉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。
3.反复地申请和释放资源会增加系统开销,降低系统吞吐量。
4.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。

破坏请求和保持条件

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,但又对自己已有的资源保持不放。

可以采用静态分配方法,即进程在运行前一次申请完它所需要的全部资源,在它的资源未满足前不让它投入运行。一旦投入运行后,这些资源就一直归它所有,该进程就不会再请求别的任何资源了。

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。另外,该策略也有可能导致某些进程饥饿。

破坏循环等待条件

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。

可采用顺序资源分配法。首先给系统中的资源编号,规定每个进程必须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。

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的现象。

假设系统中共有10个资源,编号为1,2,…10
在这里插入图片描述
该策略的缺点:
1.不方便增加新的设备,因为可能需要重新分配所有的编号;
2.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;
3.必须按规定次序申请资源,用户编程麻烦。

避免死锁

银行家算法

银行家算法是荷兰学者Dijkstra为银行系统设计的,以确保银行在发放现金贷款时,不会发生不能满足所有客户需要的情况。后来该算法被用在操作系统中,用于避免死锁。

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。
在这里插入图片描述

此时系统是否处于安全状态?
思路:尝试找出一个安全序列…{P1,P3,PO,P2,P4}依次检查剩余可用资源(3,3,2)是否能满足各进程的需求
可满足P1需求,将P1加入安全序列,并更新剩余可用资源值为(5,3,2)
依次检查剩余可用资源(5,3,2)是否能满足剩余进程(不包括已加入安全序列的进程)的需求可满足P3需求,将P3加入安全序列,并更新剩余可用资源值为(7,4,3)
依次检查剩余可用资源(7,4,3)是否能满足剩余进程(不包括已加入安全序列的进程)的需求…
…….
以此类推,共五次循环检查即可将5个进程都加入安全序列中,最终可得一个安全序列。该算法称为安全性算法。可以很方便地用代码实现以上流程,每一轮检查都从编号较小的进程开始检查。实际时可以更快速的得到安全序列。

核心步骤

数据结构:
长度为m的一维数组Available表示还有多少可用资源nm矩阵Max表示各进程对资源的最大需求数
n
m矩阵Allocation表示已经给各进程分配了多少资源
Max - Allocation = Need矩阵表示各进程最多还需要多少资源用长度为m的一位数组Request表示进程此次申请的各种资源数

银行家算法步骤:
①检查此次申请是否超过了之前声明的最大需求数②检查此时系统剩余的可用资源是否还能满足这次请求③试探着分配,更改各数据结构
④用安全性算法检查此次分配是否会导致系统进入不安全状态

安全性算法步骤:
检查当前的剩余可用资源是否能满足某个进程的最大需求,如果可以,就把该进程加入安全序列,并把该进程持有的资源全部回收。
不断重复上述过程,看最终是否能让所有进程都加入安全序列。

死锁的检测

为了能对系统是否已发生了死锁进行检测,必须:
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。

在这里插入图片描述
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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。
相应的,这些被激活的进程执行完了之后又会归还一些资源,这样可能又会激活另外一些阻塞的进程…
如果按上述过程分析,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。

在这里插入图片描述

检测死锁的算法:

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己有空闲资源数量。如下图中,R1没有空闲资源,R2有一个空闲资源。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变,使之称为孤立的结点。在下图中,P1是满足这一条件的进程结点,于是将P1的所有边消去。
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。在下图中,P2就满足这样的条件。根据1)中的方法进行一系列简化后,若能消去途中所有的边,则称该图是可完全简化的。
在这里插入图片描述
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

死锁的解除

一旦检测出死锁的发生,就应该立即解除死锁。
补充:并不是系统中所有的进程都是死锁状态,用死锁检测算法化简资源分配图后,还连着边的那些进程就是死锁进程

解除死锁的主要方法有:
1.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。
2.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。
3.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。

所以关键还是对谁动手
1.进程优先级, 对低优先级动手
2.已执行多长时间. 对已执行时长小的动手
3.还要多久能完成
4.进程已经使用了多少资源, 对分配资源少的动手
5.进程是交互式的还是批处理式的, 对批处理式的动手


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