若系统为进程分配资源时不采取任何措施，则应该是提供死锁检测和解除的手段。

 1.资源分配图：

     系统死锁，可利用资源分配图来描述。

       如上图， 用圆圈代表一个进程，用框代表一类资源。由于一种类型的资源可能有多个，用框中的一个点代表一类资源中的一个资源。从

   进程到资源的有向边叫请求边，表示该进程申请一个单位的该类资源；从资源到进程的边叫分配边，表示该类资源已经有一个资源被分配

    给了该进程。

2.死锁定理：

       可以通过将资源分配图简化的方法来检测系统状态  S  是否为死锁状态。简化方法如下：

       （1）、在资源分配图中，找到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）。消去它所有的请求边和分配边，使之成为孤立的结点。

                    在这里要注意一个问题，判断某种资源是否有空闲，应该用它的资源数量减去它在资源分配图中的出度。

       （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，原来的阻塞进程可以变为非阻塞进程。根据（1）中的方法进行一系列

                   简化后，若能消去图中所有的边，则称该图是可完全简化的。

          S为死锁的条件是：当且仅当 S 状态的资源分配图是不可完全简化的，该条件为死锁定理。

3.死锁解除：

          一旦检测出死锁，就应立即采取相应的措施，以解除死锁。死锁解除的主要方法有：

         （1）、资源剥夺法。挂起某些死锁进程，并抢占它的资源，将这些资源分配给其他的死锁进程。但应防止被挂起的进程长时间得不到资源，而处于

                     资源匮乏的状态。

         （2）、撤销进程法。强制撤销部分、甚至全部死锁进程并剥夺这些进程的资源。撤销的原则可以按进程优先级和撤销进程代价的高低进行。

         （3）、进程回退法。让一（或多）个进程回退足以回避死锁的地步，进程回退时自愿释放资源而不是被剥夺。要求系统保持进程的历史信息，设置

                       还原点。

死锁检测与解除
1.1死锁检测
    操作系统可定时运行一个“死锁检测”程序，该程序按一定的算法去检测系统中是否存在死锁。检测死锁的实质是确定是否存在“循环等待”条件，检测算法可以确定死锁的存在并识别出与死锁有关的进程和资源，以供系统采取适当的解除死锁措施。
       下面介绍一种死锁检测机制。
        (1)为每个进程和每个资源指定唯一编号。
         (2)设置一张资源分配状态表，每个表目包含“资源号”和占有该资源的“进程号”两项，资源分配表中记录了每个资源正在被哪个进程所占有。

         (3)设置一张进程等待分配表，每个表目包含“进程号”和该进程所等待的“资源号”两项。
         (4)死锁检测算法：当任一进程申请一个已被其他进程占用的资源时，进行死锁检测。检测算法通过反复查找资源分配表和进程等待表，来确定该进程对资源的请求是否导致形成环路，若是，便确定出现死锁。

1.2 死锁解除

        一旦检测到死锁，便要立即设法解除死锁。一般说来，只要让某个进程释放一个或多个资源就可以解除死锁。死锁解除后，释放资源的进程应恢复它原来的状态，才能保证该进程的执行不会出现错误。因此，死锁解除实质上就是如何让释放资源的进程能够继续运行。

死锁解除法可归纳为两大类。

1.剥夺资源
    使用挂起/激活机制挂起一些进程，剥夺它们占有的资源给死锁进程，以解除死锁，待以后条件满足时，再激活被挂起的进程。
    由于死锁是由进程竞争资源而引起的，所以，可以从一些进程那里强行剥夺足够数量的资源分配给死锁进程，以解除死锁状态。剥夺的顺序可以是以花费最小资源数为依据。每次剥夺后，需要再次调用死锁检测算法。资源被剥夺的进程为了再次得到该资源，必须重新提出申请。为了安全地释放资源，该进程就必须返回到分配资源前的某一点。经常使用的方法有如下两种。
   (1)还原算法，即恢复计算结果和状态。
    (2)建立检查点，主要是用来恢复分配前的状态。这种方法对实时系统和长时间运行的数据处理来说是一种常用技术。在实时系统中，经常在某些程序地址处插入检查的程序段，即采用检查点的技术来验证系统的正确性，如果发现故障，可从检查点重新启动。因此，在有些实时系统中，一旦发现死锁，可以在释放某进程的资源后，从检查点重新启动。

2.撤销进程
    撤销死锁进程，将它们占有的资源分配给另一些死锁进程，直到死锁解除为止。
    可以撤销所有死锁进程，或者逐个撤销死锁进程，每撤销一个进程就检测死锁是否继续存在，若已没有死锁，就停止进程的撤销。
如果按照某种顺序逐渐撤销已死锁的进程，直到获得为解除死锁所需要的足够可用的资源为止，那么在极端情况下，这种方法可能造成除一个死锁进程外，其余的死锁进程全部被撤销的局面。
    应该按照什么原则撤销进程？较实用而又简便的方法是撤销那些代价最小的进程，或者使撤销进程的数目最小。以下几点可作为衡量撤销代价的标准。
   (1)进程优先数，即被撤销进程的优先数。
   (2)进程类的外部代价。不同类型的进程可以规定出各自的撤销代价。系统可根据这些规定，撤销代价最小的进程，达到解除死锁的目的。
    (3)运行代价，即重新启动进程并运行到当前撤销点所需要的代价。这一点可由系统记账程序给出。

   撤销法的优点是简单明了，但有时可能不分青红皂白地撤销一些甚至不影响死锁的进程。

   对死锁的处理始终缺少令人满意的完善的解决办法。Howard在1973年曾建议把前面介绍的几种基本方法结合起来，使得系统中各级资源都以最优的方式加以利用。提出这种方法是基于资源可以按层编号，分成不同的级别。在每一级别内部可采用最合适的处理死锁的技术。这样，系统运用这种综合策略将可能不受到死锁的危害。即使出现死锁，由于采用了资源编号技术、死锁也只能出现在某一级别中。而且，在每一级别中，可采用某种基本处理技术。这样一来，操作系统可以缩小死锁危害的范围。按其思想可将系统中的资源分为四级。
         (1)内部资源：由系统使用，如PCB表。
         (2)内存：由用户作业使用。
         (3)作业资源：指可分配的设备和文件。
         (4)对换空间：指每个用户作业在辅助存储器上的空间。
对每一个级别可以采用下述方法。

   (1)内部资源：利用资源编号可以预防死锁，因为在运行时对各种不能确定的申请不必进行选择。 
   (2)内存：可用抢占式进行预防，因为作业始终是可换出内存的，而内存是可抢占的。
   (3)作业资源：可采用死锁避免措施，因为有关资源申请的信息可从作业说明书或作业控制说明中得到。
   (4)对换空间：采用预先分配方式，因为通常知道最大存储需求量。
   这一思想说明了可以借助不同的基本技术综合处理死锁。
   总之，死锁是一种人们不希望发生的状况，它对计算机系统的正常运行有较大的损害，但它又是一种随机的，不可避免的状况。当然，还有一种最简单的方法来处理死锁，即对死锁视而不见。每个人对死锁的看法都是不同的。数学家认为应该彻底防止死锁的产生，不论代价有多大：工程师想要了解死锁发生的频率、系统因各种原因崩溃的频率以及死锁的严重程度，如果死镜每5年产生一次，而每个月系统都会因硬件故障，编译器出错误或者操作系统故障而崩溃一次，那么大多数的工程师都不会不惜一切代价地去清除死锁。

目录

1.死锁

1.什么是死锁？

2.死锁、饥饿、死循环的区别

3.死锁产生的必要条件

4.什么时候会发生死锁

5.死锁的处理策略

2.死锁的处理策略——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 

3.死锁的处理策略——避免死锁 

 1.什么是安全序列

2.安全序列、不安全状态、死锁的联系

3.银行家算法 

 1. 实现步骤

2. 银行家算法示例（手算）

3. 代码实现

4.死锁的处理策略——检测和解除 

1.死锁的检测 

2. 死锁的解除

---

 个人主页：个人主页
 系列专栏：操作系统

1.死锁

 

1.什么是死锁？

哲学家进餐问题中，如果5位哲学家进程并发执行，都拿起了左手边的筷子…

在并发环境下，各进程因竞争资源而造成的一种互相等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，都无法向前推进的现象，就是“死锁”。

发生死锁后若无外力干涉，这些进程都将无法向前推进。

 哲学家问题后续专栏会讲
 系列专栏：操作系统

2.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

3.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。

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）。

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。

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。

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）

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

4.什么时候会发生死锁

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。

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。

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。

5.死锁的处理策略

预防死锁。破坏死锁产生的四个必要条件中的一个或几个。

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）

死锁的检测和解除。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。

2.死锁的处理策略——预防死锁

 

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…

 

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：

①、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。
②、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。

 

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。

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。

 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

 

 

3.死锁的处理策略——避免死锁 

 1.什么是安全序列

 

 

 

 

 

 

2.安全序列、不安全状态、死锁的联系

 

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。【比如A 先归还了10亿，那么就有安全序列T→B → A】

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。

3.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。

 

 1. 实现步骤

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。实际做题时可以更快速的得到安全序列。

2. 银行家算法示例（手算）

银行家算法示例（手算）

 

 

手算（找不到安全系列）

 

 

3. 代码实现

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。不妨称为最大需求矩阵 Max，Max[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 – Allocation =Need 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 Requesti表示本次申请的各种资源量。

 

数据结构：
①、长度为 m 的一维数组 Available 表示还有多少可用资源
②、n*m 矩阵 Max 表示各进程对资源的最大需求数
③、n*m 矩阵 Allocation 表示已经给各进程分配了多少资源
④、Max – Allocation = Need 矩阵表示各进程最多还需要多少资源
⑤、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：
①、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。
②、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。

系统处于不安全状态未必死锁，但死锁时一定处于不安全状态。系统处于安全状态一定不会死锁。

4.死锁的处理策略——检测和解除 

 如果系统中既不采取预防死锁的措施，也不采取避免死锁的措施，系统就很可能发生死锁。在这种情况下，系统应当提供两个算法：
①死锁检测算法：用于检测系统状态，以确定系统中是否发生了死锁。
②死锁解除算法：当认定系统中已经发生了死锁，利用该算法可将系统从死锁状态中解脱出来。

1.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：
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。

 

 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。

 

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。

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。