操作系统中的死锁检测

死锁的检测【 ４ 】 ． 关于 ｊ ａ ｖ ａ多线程程序 中的死锁检测， 无 论是静态
方 法【 ５ ＇ ６ 】 还是 动态方法［ ７ ， ８ １ ，过去都 已经做 过大量研 究．
而且 目前 已经有 比较成熟 的工具可 以直接检查 ｉ ａ ｖ ａ 程
序 中的死锁，如 ｉ ｓ ｔ ａ ｃ ｋ 、 ｌ ｏ ｃ ｋ ｓ ｔ ａ ｔ 等．由于操作系统代码
ｌ 引言
为了充分发挥 ｃ ｐ ｕ 多核的性能， 并发程序设计 已 经十分广 泛，但是开 发并 发程序面 临很 多挑 战，死锁 就是其 中的一 个． 在设备驱 动错 误 中有 １ ９ ％的错误是
由于并 发导致 的【 ｌ Ｊ ，在 这些并发 错误 中 ７ ２ ％（ ６ ７ ／ ９ ３ ） ￣
￣
图 ２描述 了本文采用的获得锁 持有者算法： （ １ ）当进程加锁的时候， 将 ｉ ａ ， ｌ ｏ ｃ ｋｔ ｙ ｐｅ ，ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ
＿ —
图１ 描述 了本文采用 的死锁检测算法 ： （ １ ）每 隔一 定时间（ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｃ ｙ ｃ ｌ ｅ指 定） 检 查锁 持有
计 算 机 系 统 应 用
部分介绍如何获 得锁 的等待 者． 第 ５部分根据第 ３ 、４ 部分的结果判 断是否形成循环等待 图． 第 ６部分是实 验 结果．第 ７部分将对论文进行总结．
任何源程序和库 函数． ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｔ ａ ｐ既可 以在 函数 的入 口处进行探测， 也可 以在 函数 的出 口处进行探测．若在加锁 函数 退出的地 方进行 探测，那 么就可 以获得锁 的持有者信 息，因为 只有成功获得锁，进程（ 本论文对线程与进程不区分对 待） 才能从加锁 函数中退 出，否则便处于等待状态 ． 为 了 唯一 标 识 进 程 加 锁 和 解 锁 操 作 ，使 用 由进 程 号 （ ｐ 、锁类型（ １ ｏ ｃ ｋｔ ｙ ｐ ｅ ） 、资源地址（ ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅａ ｄ ｄ ｒ ） 组
ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｈ ａ ｓ ｏ ｎ ｌ ｙ １ ％ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｍ ａ ｒ ｎｃ ｅ ． ａ ｎ ｄ ｄ ｏ ｅ ｓ ｎ ｏ ｔ ｎ ｅ ｅ ｄ ｔ ｏ ｍｏ ｄｉ ｆ ｙ Ｌｉ ｎ ｕ ｘ ｋ ｅ ｒ ｎ ｅ ｌ ａ ｎｄ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ
摘
要：本文提供 了一种检测操作系统 中死锁 的方法．该方 法包含 三个步骤： （ １ ） 通过检测进程加锁与解锁是否 匹
配 来获得锁 的持有者； （ ２ ） 从异常进程 中筛选 出锁 的等待者； （ ３ ） 通过检 查锁 的持有者 与等待者是否会形成循环等待 图来判定死锁．通过实验发现，该方法对系统性能的影响小于 ｌ ％，而且不需要修改 内核源 码和源 程序． 关键词： 操作 系统；死锁检测 ； 并发程序；异常进程
在应用到 Ｊ Ｄ Ｋ 时发现 了 １ ０ ０ ， ０ ０ ０多个死锁，实际只有
７ ０个 ． 动态检测是在程序 运行时，检查可能发生 的死 锁，但是动态监测性能开销大，不适 用于 内核、 驱动 中
① 基 金 项 目： 国家 自然科 学基 金（ ６ ｌ ２ ７ ２ １ ３ ｌ ， ６ １ ２ ０ ２ ０ ５ ３ ） ； ￣ Ｅ 苏 省 自然科学 ￣
ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｃ ｏｄ ｅ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄ ｓ ： ｏｐ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ｇ ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍ； ｄ ｅ ａ ｄ ｌ ｏ ｃ ｋ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ； ｃ ｏ ｎｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｐ ｒ ｏ ｒａ ｇ ｍｓ ； ａ ｂ ｎ ｏ ｒ ｍａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ
—
—
５ ｗｈ ｉ ｌ ｅ（ １ ） ｛
ｓ ｌ ｅ ｅ ｐ（ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｃ ｙ ｃ ｌ ｅ ）
收稿时间： ２ ０ １ ３ － ０ ３ ． ３ １ ； 收到修改稿时间： ２ ０ １ ３ ０４ － － ２ ８
１ ４ 专 论・ 综述 Ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ Ｉ ｓ ｓ ｕ ｅ
２ ０ １ ３年 第 ２ ２ 卷 第 １ ０期
ｈ ｔ ｔ ｐ ： ／ ／ ｗ ｗ ｗ． ｃ － Ｓ － ａ ． ｏ ｒ ｇ ． ｃ ａ
（ Ｓ Ｂ Ｋ２ ０ １ ２ ４ ０ １ ９ ８ ）
死 锁检测的方法分 为静态 和动态两 种． 静 态检 测 通过工具来分析待检测程序 的源代码来找 出可 能要发 生死锁 的程序位 置，这种方 法不适用 于检测代码量 大 的程序，而且 很不准确 ． 文 献【 ３ １ 提供 的静态检测方 法
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｓ ａ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｔ ｏ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｏ ｐ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ｇ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｄ ｅ ａ ｄ ｌ ｏ ｃ ｋ ． Ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｓ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ： （ １ ） ｉ ｆ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｃ ｋ － ｈ ｏ ｌ ｄ ｅ ｒ ｓ ｂ ｙ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｗ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｈｅ ｔ ｌ ｏ ｃ ｋ ｓ ａ ｎ ｄ ｕ ｎ ｌ ｏ ｃ ｋ ｓ ａ ｒ ｅ ｐ ａ ｉ ｒ ｅ ｄ ． （ ２ ） ｉ ｆ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｈｅ ｔ ｌ ｏ ｃ ｋ — ｗ ａ ｉ ｔ ｅ ｒ ｓ ｂ ｙ ｉ ｆ ｌ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
ｔ ｈ ｅ ａ ｂ ｎ ｏ ｒ ｍａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ． （ ３ ） ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｗｉ ｌ ｌ ｏ ｃ ｃ ｕ ｒ ｄ ｅ ａ ｄ ｌ ｏ ｃ ｋ ｗａ ｒ ｎ ｉ ｎ ｇ ｉ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｉ ｓ ａ ｃ ｙ ｃ ｌ ｅ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｗａ ｉ ｔ ｓ — ｆ ｏ ｒ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ
＿
ａ ｄ ｄ ｒ ＞ 插入死锁检测程序维护的链表 Ｈ Ｏ Ｌ ＤＥ Ｒ Ｌ Ｉ Ｓ Ｔ中． （ ２ ）当进 程解 锁 时，将 ｉ ｄ ， ｌ ｏ ｃ ｋｔ ｙ ｐｅ ，ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ
＿
—
者链表 ＨＯ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ Ｌ Ｉ Ｓ Ｔ是否为空． （ ２ ）若 不为空 则检 查这些 锁 的持 有者 是不是 锁 的
１ ｗ ｈ ｉ ｌ ｅ （ １ ） ｛
（ ３ ）当死锁检查周期 ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ
时间到 的时候，
便可 以从 Ｈ ＯＬ Ｄ Ｅ Ｒ Ｌ Ｉ Ｓ Ｔ中获得锁的持有者．
１ ｗｈ ｅ ｎｔ ｈ ｒ ｅ ａ ｄｌ ｏ ｃ ｋ
２
２
３ ４ ５
ｓ ｌ ｅ ｅ ｐ （ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ — ｃ ｙ ｃ ｌ ｅ ）
等待者．
ａ ｄ ｄ ｒ ＞ 从Ｈ Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ Ｌ Ｉ Ｓ Ｔ链表中删除． 那么 Ｈ ＯＬ ＤＥ Ｒ Ｌ Ｉ Ｓ Ｔ 链表 中保存 的便是那 些只有成 功加锁而没有 解
锁 的进 程 ．
（ ３ ）若检查结果为 ｔ ｕ ｒ ｅ ，则检查这 些锁的持有者与 等待者之 间是 否会形成一个循环等待 图． （ ４ ）如果存在循环等待 图则说 明发生 了死锁 ．
＿ ＿
２ 死锁检测算法
当进 程发 生死锁 时，进程 既是锁 的持 有者 ，也是
锁 的等待 者，而且进 程 间会 形成一个 循 环等待 图出锁
的等待 者，然后进 一步判断它们之 间是 否形成 一个循
环等待 图．
成 的三 元 组 磁 ｆ ０ ｃ ｋ ｔ ｙ ｐｅ ， ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ａ ｄ ｄ ｒ ＞ ．
计 算 机 系 统 应 用
ｈ ｔ ｔ ｐ ： ／ ／ ｗｗ ｗ． ｃ － Ｓ － ａ ． ｏ ｒ ｇ ． ｃ ｎ
２ ０ １ ３年 第 ２ ２卷 第 １ Ｏ期
操作系统 中的死锁检测①
张海 鹏 。 ，李 曦ｌ ，
（ 中 国科学技术大学 计算机科 学与 技术学院， 合肥 ２ ３ ０ ０ ２ ７ ） （ 中 国科学技术大学 苏州研究 院，苏州 ２ １ ５ １ ２ ３ ）
ｉ ｎ ｓ ｅ ｒ ｔ＜ ｐ ｉ ｄ， ｌ ｃｋ ｔ ｏ ｙ ｐ ｅ， ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ
—
—
ａ ｄ ｄ ｒ ＞ｔ ｏ ｔ ｔ Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ＿ Ｌ Ｉ Ｓ Ｔ
～
３ｗｈ ｅ ｎｔ ｈ ｒ ｅ ａ ｄｕ ｎ ｌ ｃｋ ｏ
４ ６
７ ８
ｅｌ ｄ ｅ ｔ ｅ＜ ｐ ｉ ｄ ，ｌ ｃｋ ｔ ｏ ｙ ｐ ｅ， ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ａ ｄ ｄ ｒ ＞ｆ ｒ ｏ ｍ ＨＯＬＤＥ Ｒ ＬＩ Ｓ Ｔ
死锁有关，文献【 ２ 】 通 过对 ４ 大开源 软件： Ｍｙ Ｓ Ｑ Ｌ 、 Ａ ｐ ａ ｃ ｈ ｅ 、 Ｍｏ ｚ ｉ ｌ ｌ ａ 和Ｏ ｐ ｅ ｎ Ｏ ｆ ｉ ｃ ｅ 中的并发错误进行分析，
发现 ３ ０ ％（ ３ １ ／ １ ０ ５ ） 的错误是 由死锁造 成的．
量大 、对 性能敏感，过去关 于操 作系统死锁 方面 的研
究 比较少．死锁检 测工具 ｐ ｌ ｕ ｓ ｅ ｔ ９ 】 是在操作系 统层 实现
的，但 是该工 具只能检 测应用程序 中 的死 锁，并不 能 检测操作系统本身 的死锁． 本论文将使 用一种动态检测 死锁的方 法，可 以准 确 检测 出操作系统 中的死 锁． 本论文 提供 的方法对操 纵系 统性能 的影响小于 ｌ ％，而且不 需要修 改 内核源 码和任何 的应用程序． 本论 文安排如下：第 ２部分介绍本文采用的死锁 检 测的算 法． 第３ 部分介绍如何获得锁 的持有者．第 ４
ｉ ｆ ＨＯＬＤＥ Ｒ Ｌｌ Ｓ Ｔ ｎ ｏ ｔ ＮＵＬＬ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｔ ｈ ｅｌ ｃｋ ｏ ｈ ｏ ｌ ｄ ｅ ｒ ｓｆ ｒ ｏ ｒ ｎＨＯＬ ＤＥＲ ＬＩ Ｓ Ｔ ｉ ｆ ｌ ｃｋ ｏ ｈ ｏ ｌ ｄ ｅ ｒ ｓ ａ ｒ ｅ Ｉ ｃｋ ｏ ｗａ ｉ ｔ ｅ ｒ ｓ
Ｄｅ ａ ｄｌ ｏ ｃ ｋ Ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ Ｏｐｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎｇ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
Ｚ Ｈ Ａ ＮＧ Ｈａ ｉ ． Ｐ ｅ ｎ ｇ ． Ｌ Ｉ Ｘｉ Ｉ ＇ ２
。 （ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｙ ｇ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ， Ｈ ｅ ｆ ｅ ｉ ２ ３ ０ ０ ２ ７ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） （ Ｓ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｆ ｏ ｒ Ａｄ ｖ ｎｃ ａ ｅ ｄ Ｓ ｕｄ ｔ ｙ ， Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｙ ｔ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ， Ｓ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ ２ １ ５ １ ２ ３ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）