第十二讲 同步与互斥

第五节 死锁



向勇 陈渝 李国良 任炬

2024年春季

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提纲

1. 死锁问题

  1. 死锁处理办法
死锁问题

  • 桥梁只能单向通行
  • 桥的每个部分可视为一个资源
  • 可能出现死锁
    • 对向行驶车辆在桥上相遇
    • 解决方法：一个方向的车辆倒退(资源抢占和回退)
死锁问题

  • 桥梁只能单向通行
  • 桥的每个部分可视为一个资源
  • 可能发生饥饿
    • 由于一个方向的持续车流，另一个方向的车辆无法通过桥梁
死锁问题

由于竞争资源或者通信关系，两个或更多线程在执行中出现，永远相互等待只能由其他进程引发的事件

Thread 1:    Thread 2:
lock(L1);    lock(L2);
lock(L2);    lock(L1);
死锁问题 -- 资源
  • 资源类型R1,R2,...,RmR_1, R_2, . . .,R_m
    • CPU执行时间、内存空间、I/O设备等
  • 每类资源RiR_i有WiW_i个实例
  • 线/进程访问资源的流程
    • 请求：申请空闲资源
    • 使用：占用资源
    • 释放：资源状态由占用变成空闲
死锁问题 -- 资源

资源分类

  • 可重用资源（Reusable Resource）
    • 任何时刻只能有一个线/进程使用资源
    • 资源被释放后，其他线/进程可重用
    • 可重用资源示例
      • 硬件：处理器、内存、设备等
      • 软件：文件、数据库和信号量等
    • 可能出现死锁：每个进程占用一部分资源并请求其它资源
死锁问题 -- 资源

资源分类

  • 可消耗资源(Consumable resource)
    • 资源可被销毁
    • 可消耗资源示例
      • 在I/O缓冲区的中断、信号、消息等
    • 可能出现死锁：进程间相互等待接收对方的消息
死锁问题 -- 资源分配图

描述资源和进程间的分配和占用关系的有向图

  • 顶点：系统中的进程
    • P={P1,P2,…,Pn}P = \{ P_1, P_2, …, P_n \}
  • 顶点：系统中的资源
    • R={R1,R2,…,Pm}R = \{R_1, R_2, …, P_m\}
  • 边：资源请求
    • 进程PiP_i请求资源Rj:Pi→RjR_j: P_i \rightarrow R_j
  • 边：资源分配
    • 资源RjR_j已分配给进程Pi：Rj→PiP_i：R_j \rightarrow P_i
死锁问题 -- 资源分配图


是否有死锁？

死锁问题 -- 必要条件
  • 互斥
    • 任何时刻只能有一个进/线程使用一个资源实例
  • 持有并等待
    • 进/线程保持至少一个资源，并正在等待获取其他进程持有的资源
  • 非抢占
    • 资源只能在进程使用后自愿释放
  • 循环等待
    • 存在等待进程集合{P0，P1，...，PN}\{P_0，P_1，...，P_N\}
    • 进程间形成相互等待资源的环

提纲

  1. 死锁问题

2. 死锁处理办法

2.1 死锁预防

2.2 死锁避免
2.3 死锁检测
2.4 死锁恢复

死锁处理办法
  • 死锁预防(Deadlock Prevention)
    • 确保系统永远不会进入死锁状态
  • 死锁避免(Deadlock Avoidance)
    • 在使用前进行判断，只允许不会出现死锁的进程请求资源
  • 死锁检测和恢复(Deadlock Detection & Recovery)
    • 在检测到运行系统进入死锁状态后，进行恢复
  • 由应用进程处理死锁
    • 通常操作系统忽略死锁
      • 大多数操作系统（包括UNIX）的做法
死锁预防

预防采用某种策略限制并发进程对资源的请求，或破坏死锁必要条件。

  • 破坏“互斥”
    • 把互斥的共享资源封装成可同时访问，例如用SPOOLing技术将打印机改造为共享设备；
    • 缺点：但是很多时候都无法破坏互斥条件。
  • 破坏“持有并等待“
    • 只在能够同时获得所有需要资源时，才执行分配操作
    • 缺点：资源利用率低
死锁预防

预防采用某种策略限制并发进程对资源的请求，或破坏死锁必要条件。

  • 破坏“非抢占”
    • 如进程请求不能立即分配的资源，则释放已占有资源
    • 申请的资源被其他进程占用时，由OS协助剥夺
    • 缺点：反复地申请和释放资源会增加系统开销，降低系统吞吐量。
  • 破坏“循环等待“
    • 对资源排序，要求进程按顺序请求资源
    • 缺点：必须按规定次序申请资源，用户编程麻烦
    • 缺点：难以支持资源变化（例如新资源）

提纲

  1. 死锁问题
  2. 死锁处理办法

2.1 死锁预防

2.2 死锁避免

2.3 死锁检测
2.4 死锁恢复

死锁避免

利用额外的先验信息，在分配资源时判断是否会出现死锁，只在不会死锁时分配资源

  • 要求进程声明需要资源的最大数目
  • 限定提供与分配的资源数量，确保满足进程的最大需求
  • 动态检查的资源分配状态，确保不会出现环形等待
死锁避免

资源分配中，系统处于安全状态

  • 针对所有已占用进程，存在安全执行序列<P1，P2，...，PN><P_1，P_2，...，P_N>
  • PiP_i要求的资源 ≤\le 当前可用资源 ++ 所有PjP_j 持有资源，其中j<ij<i
  • 如PiP_i的资源请求不能立即分配，则PiP_i等待所有Pj(j<i)P_j (j<i)完成
  • PiP_i完成后，Pi+1P_{i+1}可得到所需资源，执行完并释放所分配的资源
  • 最终整个序列的所有Pi都能获得所需资源
死锁避免

安全状态与死锁的关系

  • 系统处于安全状态，一定没有死锁
  • 系统处于不安全状态，可能出现死锁
    • 避免死锁就是确保系统不会进入不安全状态
死锁避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 概述

  • 银行家算法是一个避免死锁产生的算法。以银行借贷分配策略为基础，判断并保证系统处于安全状态
    • 客户在第一次申请贷款时，声明所需最大资金量，在满足所有贷款要求并完成项目时，及时归还
    • 在客户贷款数量不超过银行拥有的最大值时，银行家尽量满足客户需要

银行家 ↔\leftrightarrow操作系统；资金 ↔\leftrightarrow资源；客户 ↔\leftrightarrow线/进程

死锁避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 算法思路

  • 1、对于一个线程T的请求，判断请求的资源是否超过最大可用资源
    • 如果超过，不分配，T阻塞等待
    • 如果不超过，继续2
  • 2、如果分配给该请求资源，判断是否安全
    • 安全则分配给T资源；否则不分配，T阻塞等待
  • 3、如何判断是否安全？
    • 判断是否每个线程都可以安全完成
      • 如果每个都可以完成则安全；否则不安全
死锁避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 数据结构

死锁避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 判断安全状态的例程

死锁避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 完整算法

死锁避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 示例1

死锁避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 示例1

死锁避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 示例1

死锁避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 示例1

死锁避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 示例2

死锁避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 示例2

提纲

  1. 死锁问题
  2. 死锁处理办法

2.1 死锁预防
2.2 死锁避免

2.3 死锁检测

2.4 死锁恢复

死锁检测
  • 允许系统进入死锁状态
  • 维护系统的资源分配图
  • 定期调用死锁检测算法来搜索图中是否存在死锁
  • 出现死锁时，用死锁恢复机制进行恢复
死锁检测

死锁检测算法：数据结构

  • Available:长度为m的向量：每种类型可用资源的数量
  • Allocation:一个n×m矩阵：当前分配给各个进程每种类型资源的数量
    • 进程PiP_i 拥有资源RjR_j的Allocation[i,j]Allocation[i, j]个实例
死锁检测

死锁检测算法：完整算法

死锁检测

死锁检测算法：-- 示例1

死锁检测

死锁检测算法：-- 示例1

死锁检测

死锁检测算法：-- 示例1

死锁检测

死锁检测算法：-- 示例1

死锁检测

死锁检测算法：-- 示例1

死锁检测

死锁检测算法：-- 示例1

序列<T0,T2,T1,T3,T4><T_0, T_2, T_1, T_3, T_4> 对于所有的i，都可满足Finish[i] = true

死锁检测

死锁检测算法：-- 示例2

可通过回收线程T0T_0占用的资源，但资源不足以完成其他线程请求
线程T1,T2,T3,T4T_1, T_2, T_3, T_4形成死锁

死锁检测

使用死锁检测算法

  • 死锁检测的时间和周期选择依据
    • 死锁多久可能会发生
    • 多少进/线程需要被回滚
  • 资源图可能有多个循环
    • 难于分辨“造成”死锁的关键进/线程

检测到死锁后，应该如何处理？

提纲

  1. 死锁问题
  2. 死锁处理办法

2.1 死锁预防
2.2 死锁避免
2.3 死锁检测

2.4 死锁恢复

进程终止
  • 终止所有的死锁进程
  • 一次只终止一个进程直到死锁消除
  • 终止进程的顺序的参考因素：
    • 进程的优先级
    • 进程已运行时间以及还需运行时间
    • 进程已占用资源
    • 进程完成需要的资源
    • 终止进程数目
    • 进程是交互还是批处理
资源抢占
  • 选择被抢占进程
    • 参考因素：最小成本目标
  • 进程回退
    • 返回到一些安全状态, 重启进程到安全状态
  • 可能出现饥饿
    • 同一进程可能一直被选作被抢占者

仅允许进程在开始执行时，一次请求所有需要的资源 - 进程请求资源时，要求它不持有任何其他资源

预防是采用某种策略，限制并发进程对资源的请求，或使系统在任何时刻都不满足死锁的必要条件。

##### 死锁预防 ![w:900](figs/deadlock.png)