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一.死锁、饥饿、死循环的区别
二.死锁产生的必要条件
三.什么时候会发生死锁
四.死锁的处理策略
1.预防死锁
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一.死锁、饥饿、死循环的区别
二.死锁产生的必要条件
三.什么时候会发生死锁
四.死锁的处理策略
1.预防死锁
1破坏互斥条件
2破坏不剥夺条件
3破坏请求和保持条件
4破坏循环等待条件
2.避免死锁
1安全序列
2银行家算法
3.死锁的检测和解除
1死锁的检测
2死锁的解除 一.死锁、饥饿、死循环的区别
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的现象。
饥饿:由于长期得不到想要的资源某进程无法向前推进的现象。比如:在短进程优先(SPF)算法中若有源源不断的短进程到来则长进程将一直得不到处理机从而发生长进程“饥饿”。
死循环:某进程执行过程中一直跳不出某个循环的现象。有时是因为程序逻辑 bug 导致的有时是程序员故意设计的。 二.死锁产生的必要条件
产生死锁必须同时满足一下四个条件只要其中任一条件不成立死锁就不会发生。 1.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(如哲学家的筷子、打印机设备)像内存、扬声器这样可以同时让多个进程使用的资源是不会导致死锁的(因为进程不用阻塞等待这种资源)。2.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。 3.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。 4.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。 注意发生死锁时一定有循环等待但是发生循环等待时未必死锁(循环等待是死锁的必要不充分条件) 例如哲学家问题中若多出一个人当这一人将筷子这一临界资源给3号哲学家时就不会发生死锁。 所以如果同类资源数大于1则即使有循环等待也未必发生死锁。但如果系统中每类资源都只有一个那循环等待就是死锁的充分必要条件了。 三.什么时候会发生死锁
1.对系统资源的竞争。各进程对不可剥夺的资源(如打印机)的竞争可能引起死锁对可剥夺的资源(CPU)的竞争是不会引起死锁的。2.进程推进顺序非法。请求和释放资源的顺序不当也同样会导致死锁。例如并发执行的进程P1、P2分别申请并占有了资源 R1、R2之后进程P1又紧接着申请资源R2而进程P2又申请资源R1,两者会因为申请的资源被对方占有而阻塞从而发生死锁。3.信号量的使用不当也会造成死锁。如生产者-消费者问题中如果实现互斥的P操作在实现同步的P操作之前就有可能导致死锁。(可以把互斥信号量、同步信号量也看做是一种抽象的系统资源)
总之对不可剥夺资源的不合理分配可能导致死锁。
对于生产者消费者问题不了解的可以先看一下我的这一篇http://t.csdnimg.cn/cjZjT
对生产者消费者问题的阐述如下
生产者、消费者问题 系统中有一组生产者进程和一组消费者进程生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区消费者进程每次从缓冲区中取出一个产品并使用。(注:这里的“产品”理解为某种数据)
生产者、消费者共享一个初始为空、大小为n的缓冲区。 对于生产者 缓冲区没满时生产者才能继续生产若缓冲区满时生产者必须阻塞等待。 消费者从缓冲区取走数据后若此时有生产者处于阻塞状态那么消费者进程应该唤醒生产者进程(阻塞态---就绪态) 注生产者进程只是回到了就绪态这并不意味着生产者进程需要立即往缓冲区写数据 对于消费者 缓冲区空时消费者必须等待缓冲区没空时消费者才能取走数据消费 当生产者写入数据缓冲区不为空就会唤醒消费者进程阻塞态---就绪态 缓冲区 缓冲区是临界资源各进程必须互斥地访问。 假如两个进程并发地往缓冲区写入数据两个进程挑选了同一块区域写入数据那么后面进程写入的数据就会覆盖前面进程写入的数据。所以各进程必须互斥访问才不会导致数据覆盖等问题。 PV操作题目分析步骤 例系统中有一组生产者进程和一组消费者进程生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区消费者进程每次从缓冲区中取出一个产品并使用。(注:这里的“产品”理解为某种数据) 生产者、消费者共享一个初始为空、大小为n的缓冲区。 1.找出题目中描述的各个进程分析它们之间的同步、互斥关系。 同步当缓冲区没满时生产者才能生产否则堵塞等待当缓冲区没空时消费者才能消费否则堵塞等待。 互斥对于临界资源各进程必须互斥访问。 2.根据各进程的操作流程确定P、V操作的大致顺序 当缓冲区没空即有产品之后可以执行V操作在在消费者消费之前需要执行P操作。下面的案例同理。前V后P 3.设置信号量并根据题目条件确定信号量初值。(互斥信号量初值一般为1同步信号量的初始值要看对应资源的初始值是多少) semaphore mutex1; //互斥信号量实现对缓冲区的互斥访问 semaphore emptyn //同步信号量表示空闲缓冲区的数量 semaphore full0; //同步信号量表示产品的数量也即非空缓冲区的数量 代码实现如下 这里需要注意的是 实现互斥是在同一进程中进行一对PV操作 实现进程的同步是在其中一个进程执行P操作另一个进程执行V操作 P表示对临界区上锁mutex0V表示对临界区解锁mutex1 在这里能否改变相邻P、V操作的顺序重要 若此时缓冲区内已经放满产品即empty0fulln。 则生产者进程执行①使mutex变为0再执行②由于已没有空闲缓冲区因此生产者被阻塞。 由于生产者阻塞因此切换到消费者进程。消费者进程执行③由于mutex为0即生产者还没释放对临界资源的“锁”因此消费者也被阻塞。 这就造成了生产者等待消费者释放空闲缓冲区而消费者又等待生产者释放临界区的情况生产者和消费者循环等待被对方唤醒出现“死锁”。 同样的若缓冲区中没有产品即full0emptyn。按③④①的顺序执行就会发生死锁。因此实现互斥的P操作一定要在实现同步的P操作之后 V操作不会导致进程阻塞因此两个V操作顺序可以交换 两个红框执行语句能否放在PV操作间 逻辑上是可以的但这会导致临界区代码更长也就是对临界区上锁的时间更长这样各进程交替使用临界资源的效率就会下降。 四.死锁的处理策略
1.预防死锁
破坏死锁产生的四个必要条件中的一个或几个。
1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 SPOOLing 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。
普通的打印机设备是互斥资源
使用了SPOOLing技术的打印机 各进程发出的请求会首先被输出进程接收当请求被接收并且响应后这些进程就可以继续执行别的操作之后输出进程会根据打印的请求依次打印输出文件。 所以使用了SPooLing技术后在各进程看来自己对打印机资源的使用请求立即就被接收处理了不需要再阻塞等待。 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。
2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。
2.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。
3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。 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。
例如若系统中有源源不断的A类进程与B类进程那么资源1就总是分配给A类进程资源2也总是分配给B类进程只有资源1资源2都空闲才能分配给C类进程所以这就导致了C类进程出现“饥饿” 4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。 因为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。 例如在任何一个时刻总有一个进程拥有的资源编号是最大的在这里是3号进程那这个进程申请之后的资源必然畅通无阻3号进程可以使用8910号资源因此不可能出现所有进程都阻塞的死锁现象。 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。例如这里的3号进程若想先使用7号资源再使用5号资源那么3号进程会先申请占用5号资源一直到7号资源使用完毕才能使用5号资源所以会导致5号资源长时间空闲从而导致系统资源的浪费。 ③必须按规定次序申请资源用户编程麻烦。例如上面的P3进程用户需要先编写使用5号资源的代码因为5号资源编号更小再编写7号资源的代码但若换一个系统另一个系统中5号资源和7号资源的编号是相反的那么这个代码就需要做出改变即7号资源的代码需要放到5号资源之前。 2.避免死锁
用某种方法防止系统进入不安全状态从而避免死锁(银行家算法)
1安全序列
所谓安全序列就是指如果系统按照这种序列分配资源则每个进程都能顺利完成。只要能找出一个安全序列系统就是安全状态。当然安全序列可能有多个。
如果分配了资源之后系统中找不出任何一个安全序列系统就进入了不安全状态。这就意味着之后可能所有进程都无法顺利的执行下去。当然如果有进程提前归还了一些资源那系统也有可能重新回到安全状态不过我们在分配资源之前总是要考虑到最坏的情况。如果系统处于安全状态就一定不会发生死锁。如果系统进入不安全状态就可能发生死锁(处于不安全状态未必就是发生了死锁但发生死锁时一定是在不安全状态)
因此可以在资源分配之前预先判断这次分配是否会导致系统进入不安全状态以此决定是否答应资源分配请求。这也是“银行家算法”的核心思想。
2银行家算法
银行家算法的核心思想在于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。 资源总数为1057进程如下将资源总数-已分配的资源剩余可用资源332 用这一数字与各进程需求对比查看满足哪个进程的需求 如果优先把资源分配给P1那P1一定是可以顺利执行结束的等P1结束了就会归还资源。于是资源数就可以增加到(2,0,0) (3,3,2)(5,3,2) 接下来继续对比发现此时可用资源能够满足P3进程需求那P3一定是可以顺利执行结束的等P3结束了就会归还资源。于是资源数就可以增加到(2,1,1)(5,3,2)(7,4,3) 如此重复可以得到一个包含所有进程的安全序列{P1,P3,P0,P2,P4}该算法也被称为安全性算法。 实际上可以更快速地找到一个安全序列 经对比发现(3,3,2)可满足P1、P3说明无论如何这两个进程的资源需求一定是可以依次被满足的因此P1、P3 一定可以顺利的执行完并归还资源。可把P1、P3 先加入安全序列。(2,0,0)(2,1,1)(3,3,2)(7,4,3) 剩下的 P0、P2、P4 都可被满足。同理这些进程都可以加入安全序列。于是5个进程全部加入安全序列说明此时系统处于安全状态暂不可能发生死锁。 资源总数为1057如下图所示剩余可用资源为332 经对比发现(3,3,2)可满足P1、P3说明无论如何这两个进程的资源需求一定是可以依次被满足的因此P1、P3 一定可以顺利的执行完并归还资源。可把P1、P3 先加入安全序列。 (2,0,0)(2,1,1)(3,3,2)(7,4,3) 剩下的 P0需要(8,4,3)P2需要(6,5,0)P4 需要(4,3,4)任何一个进程都不能被完全满足于是无法找到任何一个安全序列说明此时系统处于不安全状态有可能发生死锁。 假设系统中有n个进程m种资源
每个进程在运行前先声明对各种资源的最大需求数则可用一个n*m的矩阵(可用二维数组实现)表示所有进程对各种资源的最大需求数。称为最大需求矩阵 MaxMax[i,j]K表示进程Pi最多需要K个资源Rj。同理系统可以用一个n*m的分配矩阵 Allocation 表示对所有进程的资源分配情况。Max-AllocationNeed 矩阵表示各进程最多还需要多少各类资源。
另外还要用一个长度为m的一维数组 Available 表示当前系统中还有多少可用资源
某进程Pi向系统申请资源可用一个长度为m的一维数组 表示本次申请的各种资源量。 可用银行家算法预判本次分配是否会导致系统进入不安全状态: ① 如果 便转向②;否则认为出错。 因为它所需要的资源数已超过它所宣布的最大值 ② 如果 便转向③;否则表示尚无足够资源Pi必须等待。 ③ 系统试探着把资源分配给进程Pi并修改相应的数据(并非真的分配修改数值只是为了做预判): Available Available - ④操作系统执行安全性算法检查此次资源分配后系统是否处于安全状态。若安全才正式分配;否则恢复相应数据让进程阻塞等待。 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。 3.死锁的检测和解除
1死锁的检测
允许死锁的发生不过操作系统会负责检测出死锁的发生然后采取某种措 施解除死锁。
为了能对系统是否已发生了死锁进行检测必须 ①用某种数据结构来保存资源的请求和分配信息。 ②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。 数据结构如下 一般用矩形表示资源结点矩形中的小圆代表该类资源的数量。在这里P1进程请求被分配一个R2资源P2进程请求被分配一个R1资源。 分配边表示系统已经给P1进程分配了2个R1资源给P2进程分配了1个R2资源1给R1资源 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。现在来看不能消除所有边的情况 如图P1进程向R2申请两个资源但是R2已经分配出去两个资源了所以P1进程阻塞P2资源向R1申请一个资源但是R1的资源也被全部分配出去所以P2进程也被阻塞可以顺利执行的只有P3P3进程顺利执行后会归还R2一个资源但是P1进程需要两个R2资源所以P1依旧阻塞P2也依旧阻塞到以下这一步就不能继续消除了。 最终还连着边的那些进程就是处于死锁状态的进程。 总结检测死锁的算法
(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已有空闲资源数量。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。 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。
2死锁的解除
一旦检测出死锁的发生就应该立即解除死锁。
注意: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 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。 那么如何决定对哪个进程进行以上操作 1.进程优先级(优先级低的可以先进行操作) 2.已执行多长时间执行时间越长回退或撤销的代价就会越高 3.还要多久能完成可以使马上结束的进程优先获得资源尽快结束 4.进程已经使用了多少资源若进程持有很多资源那么可以先剥夺这一进程的资源以尽快解除死锁局面。 5.进程是交互式的还是批处理式的进程若是交互式的撤销的话用户方体验不佳所以可以优先牺牲批处理式进程
