一：死锁
 
1.1 死锁的概念
 
在多道程序系统中，由于多个程序的并发执行，改善了系统资源的利用率并提高了系统的处理能力。然而，由于多个进程的并发执行也带来了新的问题-----死锁。所谓死锁，是指多个进程互相争夺资源而造成的一种僵局（互相等待），若无外力作业，这些进程都将无法向前推进。
 
例如，P1占有资源R1，而需要申请资源R2。同时P2占有资源R2，但是又需要资源R1，造成了一种互相等待的现象。
 
1,.2  死锁产生的原因
 
（1）系统资源的竞争    通常系统中拥有不可剥夺资源的数量，不足以满足系统中进程所需的资源数目，使得进程在运行过程中发生争夺资源而陷入死锁的现象。比如争夺磁带机，打印机等。只有对不可剥夺资源的竞争才有可能引起死锁，而对可剥夺资源的竞争不会发生死锁（通过进程调度算法剥夺竞争资源而使进程完成以后释放所占有的资源）。
 
（2）进程推进顺序非法
 
进程在运行过程中，请求和释放所需的资源的顺序不当，也会导致死锁。 例如，进程A和进程B分别占有资源R1,R2,但是进程A等待资源R2，进程B等待资源R1，造成一种互相等待的现象。
 
信号量使用不当也会发生死锁，进程间彼此等待互相发来的消息。比如，进程P1等待进程P2发来的消息，而进程P2等待进程P1发来的消息，两者都不是在等待同类资源，而是在等待对方的资源而发生死锁。
 
（3）死锁产生的必要条件
 
（1）互斥条件：进程要求对所拥有的资源进行排他性（如打印机，同时使用会造成排版出错，打印混乱等问题）控制，即在进程拥有该资源期间，其它想使用该资源的进程只能等待，知道该进程占用完该资源并释放。
 
（2）不可剥夺条件： 进程所拥有的资源在没有使用完之前，不能被剥夺，只能等该进程释放资源（只能主动释放）
 
（3）请求并保持条件：进程已经至少保持了一个资源，但又提出了新的资源请求，但提出占有的资源被其它进程所占有，该进程只能等待并保持原来所占有的资源不放。
 
（4）循环并等待条件：进程P1占有资源R1，但进程P2申请进程P1所占有的资源R1，以此类推，进程Pi+1申请进程Pi所占有的资源Ri，进程P1申请进程Pn所占有的资源，形成一种循环等待链。
 
循环等待与死锁的区别在于，死锁中的循环等待只能相互满足，即进程Pi等待的资源只能由进程Pi+1来满足，而循环等待条件则无此限制，{P1..Pi..Pn}互相等待所占有的资源，但是Pi等待的资源可由循环圈外的进程PK所释放来满足并解除死锁。所以循环并等待只是必要条件，而非充分条件。
 
二：死锁的处理策略
 
为使系统不发生死锁，必须破坏产生死锁的四个必要条件之一，或者允许死锁，但当死锁发生时，要有能力检测出来并恢复。
 
 
 
（1）死锁预防
 
设置某些限制条件，破坏死锁产生4个必要条件中的一个或几个，以防止发生死锁。
 
（2）避免死锁
 
在资源的动态分配过程中，用某种方法防止系统进入不安全状态，从而避免死锁。
 
（3）死锁的检测以及解除
 
无须采取任何限制性措施，允许进程在运行过程中发生死锁。通过系统的检测机构及时地检测出死锁的发生，然后采取某种措施解除死锁，使进程恢复到正常状态。
 
预防死锁和避免死锁都属于事先预防策略，预防死锁的限制条件比较严格，实现起来较为简单，但会比较严重的浪费计算机资源，使系统的资源利用率降低。避免死锁的条件相对宽松，但是执行起来较为复杂，还需要判断分配资源后的系统是否处于安全状态（若不安全，则将事先分配好的资源全部撤回），算法比较复杂。
 
三 死锁处理策略的比较
 
处理策略
资源分配策略
可能模式
主要优点
主要缺点
死锁预防
保守，宁可闲置
一次请求所有资源，资源剥夺，资源按序分配
适用于突发式处理的进程
效率低，初始化时间较长，剥夺次数过多，不便灵活申请新资源
死锁避免
为‘预防’和‘检测’的折中（在运行时判断是否会发生死锁，通过某种算法，比如银行家）
寻找可能的安全顺序
不必进行剥夺
必须知道将来的资源需求（银行家算法需要资源需求来计算安全序列），进程不能被长时间搁置
死锁的检测以及解除
宽松，只要允许就分配资源
定期检查死锁是否已经发生
不延长进程初始化时间，可以对死锁进行现场处理
通过剥夺解除死锁，造成资源浪费
 
 
 

 
死锁
 
1. 死锁/活锁/饥饿
2. 资源死锁条件
3. 死锁处理策略
3.1 鸵鸟算法
3.2 死锁检测和恢复
3.3 死锁避免
 


 




 
1. 死锁/活锁/饥饿
 
死锁：死锁是指多个进程相互等待，互不相让，导致所有进程无限期等待。
 
资源死锁：资源死锁是因为每个进程都在等待其他进程释放资源，资源死锁是最常见的死锁类型。
通信死锁：通信死锁是指由于消息丢失，导致通信双方都在相互等待对方发送消息，通常可通过设置适当对超时时间来解决
 
活锁：每一个进程需要两个资源并使用try_lock（）试图获取锁，进程A获得了资源1，进程2获得了资源2，接下来，它们分别试图获取另一个锁但都失败了，于是它们分别释放当前持有的锁，然后再试一次，这个过程会一直重复，就像两个人在一条路上相遇并同时给对方让路一样，相同对步调将导致双方无法前进。
 
饥饿：一些进程永远无法获得运行机会，导致饿死。比如在打印机总是先打印最小文件的进程，那么大文件就可能因为不断需要打印对小文件而无法运行导致饿死。
 
可采取先来先服务资源分配策略来避免饥饿，随着时间的推移所有进程都将获取资源而执行
 

 
2. 资源死锁条件
 
（1）互斥条件：一个资源不能被两个以上的进程同时占有
 （2）占有和等待条件：已经得到某个资源对进程可以在申请新的资源
 （3）不可抢占条件：已经分配给一个进程对资源不能被强制性地抢占，它只能被占有它对进程显式释放
 （4）环路等待条件：死锁发生时，系统中一定有两个及以上的进程形成一条环路，每个进程都等待着下一个进程所占有的资源
 
死锁发生时，以上四个条件必定同时满足，其中一个条件不成立死锁都不会发生。因此可以破坏上述任一条件来预防死锁。
 

 
3. 死锁处理策略
 
四种死锁处理策略：
 （1）忽略该问题。若要彻底防止死锁，代价很大，并且死锁发生频率比较，影响比较小，可以直接忽略
 （2）检测死锁并恢复。系统并不阻止死锁的发生，而是允许死锁对发生，当检测到死锁后采取相应措施进行恢复
 （3）避免死锁。对资源进行分配时进行检查，若可能产生死锁，则不分配资源，避免死锁的发生
 （4）防止死锁发生。通过破坏引起死锁对四个必要条件，防止死锁发生
 
 
3.1 鸵鸟算法
 
最简单的解决方法是鸵鸟算法，将头埋进沙子里，假装什么都没有发生。因为防止死锁需要以性能和可用性损失为代价，若死锁频率很低，发生死锁引发的后果也可接受，那么可以考虑忽略它
 

 
3.2 死锁检测和恢复
 
第二种方法是死锁检测与恢复，系统并不阻止死锁的发生，而是允许死锁对发生，当检测到死锁后采取相应措施进行恢复
 
1. 每种类型一个资源的死锁检测
 
建模检测是否有环
 
2. 每种类型多个资源的死锁检测
 
通过维护一个A可用资源向量，C当前分配矩阵，R请求矩阵
 
 死锁检测算法如下：
 （1）寻找一个没有被标记对进程Pi，对于它对请求资源小于等于A，如果没有这样对进程，那么算法终止
 （2) 将C矩阵对资源释放加到A上，标记该进程，重复上述步骤
 （3）若算法结束后，仍有未标记的进程则说明存在死锁
 
何时去检测：一种方法是每当有资源请求时，就去检测，这种方式虽然可以很早发现死锁，但是会占用大量CPU，另一种方法是每隔K分钟检查一次，或者当CPU使用率降到某一阈值时就去检测，因为死锁进程达到一定数量，CPU会经常空闲
 
3. 从死锁中恢复
 
上述的死锁检测算法已经成功地检测到了死锁，因此需要一些方法尝试去从死锁中恢复，尽管这些方法看起来都不是那么好
 
（1）利用抢占恢复
 
主动选择挂起某个进程，强行将某一资源从一个进程取走给另一个进程使用，接着使用完毕后又送回。这种方式恢复比较困难，不太可能实现。
 
（2）利用回滚恢复
 
周期性记录进程的状态并写入文件，当检测到死锁发生时，很容易发现需要哪些资源，这样拥有所需要资源的进程复位到一个更早的状态，其中另一些进程就可获取资源打破死锁。
 
（3）通过杀死进程
 
杀掉死锁环中的一个进程，如果行不通继续杀死别的进程直至打破死锁。
 

 
3.3 死锁避免
 
第三种死锁处理策略是系统只有在保证安全的前提下才分配资源，资源分配前先进行检查，若分配该资源可能产生死锁，则不分配资源，因而避免了死锁
 
单个资源的银行家算法
 
对每一个资源请求先进行检查，检查如果满足这一请求是否会达到安全状态，若是，则立刻满足该请求，否则，就推迟这一请求的满足。能否进入安全状态是根据当前的空闲资源是否存在一种分配策略能过最后回收所有资源。比如b，先将空闲2分配给C,回收C后空闲资源为4，能过继续分配给D,回收D后空闲资源为8，可继续分配给B,回收后空闲资源为9，可继续分配给A，回收后资源为原来的10.  多个资源的银行家算法
 
与单个银行家算法类似，只是资源类别增加了而已，也是分配资源时检查能否进入安全状态，能否进入安全状态和单个银行家大同小异。
 
 
银行家算法虽然很有意义但缺乏实用价值，很少有进程能在运行前提前直到自己所需资源的最大值，而且进程数也不是固定的，往往在不断变化，并且可用资源也可能突然不可用（比如磁带机突然坏掉）。只有极少的系统采用银行家算法来避免死锁，一些系统可以用银行家算法之类的启发式算法来避免死锁

如两个进程分别等待对方占有的资源，于是两个进程都不能执行而处于等待状态，此线程称为死锁。
 
进程的三态模型
 
就绪态 $\leftrightarrow$ 运行态 $\to$ 等待态 $\to$ 就绪态
 
进程的五态模型
 
创建进程 $\to$ 就绪态 $\leftrightarrow$ 执行态 $\to$ 等待态 $\to$ 就绪态 (执行态 $\to$ 结束进程)
 
进程的七态模型
 
添加 挂起就绪态 和 挂起等待态。
 
进程创建后可能是就绪态，也可能是挂起就绪态。
 
死锁的四个条件
 
（1）互斥条件
 
（2）占有和等待
 
（3）不可剥夺
 
（4）循环等待
 
前三个条件是必要条件，但不是充分条件。第四个条件是前三个条件共同作用的结果，不会单独存在。
 
死锁防止
 
破坏（1）：使得临界资源可同时访问。
 
破坏（2）：静态分配。在程序执行前就将所需的全部资源都分配。
 
破坏（3）：剥夺调度。
 
破坏（4）：层次分配，有序分配。
 
死锁防止会降低系统的并发度，导致低效的资源利用率。
 
死锁避免
 
银行家算法
 
它允许死锁的前三个条件存在，但是可以通过算法避免循环等待。
 
死锁的恢复和检测

前言
 
本文在操作系统的角度梳理下死锁和操作系统的死锁处理策略。
 
死锁的概念
 
 
什么是死锁
 
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。
 发生死锁后，若无外力干涉，则这些进程都无法向前推进。
 
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；
 
 
死循环
 某进程执行过程中一直跳不出某个循环。有时是因为程序逻辑bug导致的，有时候是程序员故意设计的。
 
 
 
死锁产生的四个必要条件
 
互斥条件 && 不剥夺条件 && 请求和保持条件 && 循环等待条件；
 
 
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；
 
 
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用，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；
 
 
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。
 
 
对系统资源的竞争：
 各进程对不可剥夺的资源的竞争可能引起死锁；
 
 
进程的推进顺序非法：
 请求和释放资源的顺序不当可能引起死锁；
 
 
信号量的使用不当也会造成死锁：
 
 
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；
 
 
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，然后采取措施解除死锁。
 
 
预防死锁
 
 
破坏互斥条件：
 
把只能互斥使用的资源改造成允许共享使用(比如SPOOLing技术)，则系统不会进入死锁状态。
 
缺点：并不是所有的资源都可以改造成共享使用的资源，并且为了系统安全，很多地方还必须保护这种互斥性。
 
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，等待以后需要的时候再重新申请，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它进程占用时，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，如剥夺调度方式，就是将CPU强行剥夺给优先级更高的进程使用；
 
 
缺点：
 实现起来比较复杂；
 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易恢复的资源，如PCB；
 反复的申请和释放资源会增加系统开销，降低系统吞吐量；
 若采用方案一，一个进程得不到资源会释放所有资源，若一直这样进行下去，可能会导致发生进程饥饿。
 
 
破坏请求和保持条件
 
 
采用静态分配方法：
 即进程在运行前一次行申请完它所需要的全部资源，在它的资源未满足前，不让它开始运行，一旦运行后，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；
 
 
缺点：
 有些资源可能需要用的时间很短，但该进程一直持有所有资源，导致资源利用率低；
 可能会导致别的进程饥饿。
 
 
破坏循环等待条件
 
 
顺序资源分配法：
 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(编号相同的资源)一次申请完；
 一个进程只有占有小编号的资源时，才有资格去申请更大编号的资源，已持有大编号资源的进程不可能逆向的回来申请小编号的资源，从而就不会产生循环等待现象。
 
 
缺点：
 不方便增加新的设备，因为可能要重新分配所有编号；
 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；
 必须按照规定的次序申请资源，用户编程麻烦；
 
 
避免死锁
 
银行家算法。
 
 
安全序列：
 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。
 
 
在资源分配前就要保证分配后是安全状态：
 如果分配了资源后，系统找不出任何一个安全序列，那么系统就进入了不安全状态，即之后可能所有进程都无法顺利的执行下去了。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。
 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；发生死锁则系统一定是不安全状态；
 
 
银行家算法核心思想：
 在进程踢出资源申请时，就预先判断这次分配是否会导致系统进入不安全状态，如果会，就按时不答应这次请求，让该进程先阻塞等待；
 
 
银行家算法步骤：
 检查此次申请是否超过了之前声明的最大需求数；
 检查此时系统剩余的可用资源是否还能满足这次请求；
 试探着分配，更改各数据结构；
 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，看系统是否能让所有进程都加入安全序列。
 
 
死锁的检测和解除
 
 
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；
 死锁接触算法：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；
 
死锁的检测
 
 
 
资源分配图：
 用资源分配图这种图数据结构来表达资源的请求和分配信息。
 
 
资源分配图数据结构：
 进程结点：对应一个进程；
 资源结点：对应一类资源，一类资源可能有多个；
 进程结点 -> 资源结点：请求边，表示进程想申请几个资源；
 资源结点 -> 进程结点：分配边，表示已经为进程分配了几个资源；
 
 
不阻塞进程：
 是指其申请的资源数还是足够的 的进程；
 
 
可完全简化的：
 在资源分配图中，找不既不阻塞又不是孤点的进程P1，消除他的所有请求边和分配变，使之成为孤点；
 进程P1梭释放的资源，唤醒其它的进程，按照上述步骤再次排除是否是孤点。
 经过一系列简化后，若能消除图中所有的边，则称该图是可完全简化的。
 
 
死锁检测算法：
 依次消除与不阻塞进程相连的边，直到无边可消；
 
 
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。
 
 
死锁的进程：
 在资源分配图简化后，还连着边的进程就是死锁进程。
 
 
可完全简化的图，则一定没有发生死锁；如果最终不能消除所有边，就一定发生了死锁；
 
 
死锁的解除
 
一旦检测出死锁，就应该立即解除。
 
 
解除死锁的主要方法有：
 
  
资源剥夺法：
 挂起某些死锁的进程，并抢占它的资源，将这些资源分配给其他死锁的进程；但应防止被挂起的进程长时间得不到资源而饥饿；
撤销进程法(终止进程法)：
 强制撤销部分、甚至全部进程，并剥夺这些进程的资源；实现简单，但付出的代价可能会很大，因为有些进程可能已经快运行完了，结果被终止了，还得重头再来；
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；这就要求操作系统要记录进程的历史信息，设置还原点；
 
 
如何决定对哪个进程动手呢：
 进程优先级；
 进程已经执行了多长时间；
 进程还有多久能完成；
 进程已经使用了多少资源；
 进程是交互式的还是批处理式的；