操作系统进程机制与并发程序设计os3-4
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Pa
进程Pa 请求打印机 请求磁带机 释放打印机 释放磁带机
进程Pb 请求磁带机 请求打印机 释放磁带机 释放打印机
打印机 Pb
磁带机
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死锁的例子（2）
同类资源分配不当引起死锁
系统中有m个资源被n个进程共享，当每个进 程都要求K个资源，而m<n*K时，如果分配不 得当就可能引起死锁。 例如：m=4，n=4，K=2，执行中采用的分 配策略是为每个进程轮流分配资源。 假设每个进程对资源的申请和释放符合下列原 则： 一次只能申请一个单位；满足总申请后才 能使用；使用完后一次性释放
撤销进程的代价(代价最小)
•进程优先级 •进程运行代价（已运行的%） •进程类型
方法二：资源剥夺法
从一些进程剥夺足够的资源，分配给死锁的进程。
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作业
设系统中有3种类型的资源(A,B,C)和5个进程(P1, P2, P3, P4, P5)，A资源的数量为17，B资源的数量为 5，C资源的数量为20。在T0时刻系统状态如下表。
TASK_SWAPPING
进程交换到交换区
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进程与线程
线程
+ 堆栈 + 执行上下文TSS
进程 进程
线程
本质区别 进程地址空间独立 线程共享地址空间
+ + + + + +
代码 数据 堆栈 文件 IO 虚存
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进程调度（1）
调度策略
检测算法
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算法描述
Work:=Available; L:={ Li | Allocationi=0 Requesti=0 }; For all LiL do begin for all Requesti Work begin Work = Work +Allocationi Li L end end deadlock:=(L={P1,P2,…,Pn}
P2: 5 3 2
P4: 7 4 3
P1: 7 5 3 P3: 10 5 5 P5: 10 5 7
P3
P4 P5
9
2 4
0
2 3
2
2 3
P4
P5
2
0
1
0
1
2
P2 P4 P1 P3 P5
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5.解除死锁
方法一：撤销进程法
按照一定的次序逐次删除已死锁的进程，直到获得足 够的资源，解除死锁为止。
七、死锁
死锁原因和必要条件
死锁例子
死锁概念 产生死锁的原因和必要条件
预防死锁
资源独占(静态分配） 资源顺序分配
资源受控动态分配 （避免死锁）
发现死锁 （死锁检测） 解除死锁
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死锁的例子（1）
进程推进顺序不当产生死锁
cobegin Pa; Pb; coend
SCHED_OTHER SCHED_FIFO SCHED_RR 普通进程 执行时间不长的实时进程 （更高优先级可抢占CPU） 轮转的实时进程 （相同优先级进程用时间片调度）
weight priority counter
权值 静态优先级（时间片大小，单位时标） 动态优先级，当前的时间配额
DEF_PRIORITY =20， （每个时标10ms）
必要条件
互斥控制（资源独占） 非剥夺控制（不可剥夺） 请求和保持（部分分配，占有申请） 环路条件（循环等待）
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P1
P2 分 已 P1 请 求 配 F 请 求
P2 T
已
配 分
F 申请不来自百度文库类型的资源
T
简单的死锁例子
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3、预防死锁
通过设臵某些限制条件，去破坏死锁四个必 要条件中的一个或多个，来防止死锁。 在系统设计时确定资源分配算法，限制进程 对资源的申请，从而保证不发生死锁。 较易实现，广泛使用，但由于所施加的限 制往往太严格，可能导致系统资源利用率和 系统吞吐量的降低。
task 数组:进程控制块指针的集合（512个） task_struct结构 进程标识 进程状态 调度信息 进程链 时间片 进程通信信息 内存资源信息 文件资源信息 进程上下文
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Linux进程状态表
进程状态 TASK_RUNNING TASK_INTERRUPTIBLE TASK_UNINTERRUPTIBLE TASK_ZOMBIE TASK_STOPPED 值 0 1 2 4 8 就绪 浅度睡眠 深度睡眠 僵死 暂停 说明
由于在避免死锁的策略中，允许进程动 态地申请资源。因而，系统在进行资源 分配之前预先计算资源分配的安全性。 若此次分配不会导致系统进入不安全状 态，则将资源分配给进程；否则，进程 等待。 最具有代表性的避免死锁算法：银行家 算法。
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安全状态与不安全状态
如果系统能按某种顺序为每个进程分配 其所需的资源，直至所有进程都能运行 完成，称系统处于安全状态。 若不存在这样一个安全序列称系统处于 不安全状态。
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静态资源分配
解决方法：
第一个必要条件
要求每一个进程在开始执行前就申请它所 需要的全部资源，仅当系统能满足进程的 资源申请要求且把资源分配给进程后，该 进程才能开始执行。 进程在执行过程中不再申请资源，故不可 能出现占有了某些资源再等待其他资源的 情况，即能使得“占有并等待”的条件不 成立，从而防止死锁的发生。
尚需申请数
2 3 5
最大需求数 剩余资源
4 6 8 2
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死锁检测中的数据结构
1、可用资源向量Available：表示m类资源中，每一 类的可用数目。
2、请求矩阵Request：是n m 矩阵，表示进程当 前对各类资源的请求数目。 3、分配矩阵Allocation：是 n m矩阵，用以表示 进程某一时刻的资源分配情况。 4、工作向量Work：表示系统可提供给进程继续运行 的各类资源数目。
Pa
S资源表示消息或信件 对信件的接收和发送不加限制
请求接收
Sc
Pc Sb
Sa
Pb
cobegin Pa; Pb; Pc; coend
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1、死锁概念
如果在一个进程集合中的每个进程都在等待 只能由该集合中的其他一个进程才能引发的事 件，则称这一组进程或系统此时发生了死锁。
一组进程中，每个进程都在无限等待被该 组进程中另一个进程所占有的永远不会释放的 资源，这种现象称系统处于死锁状态，简称死 锁。处于死锁状态的进程就称为死锁进程.
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R
R
P1
P2 (a)
P3
P4
P1
P2 (b)
P3
存储器共享的死锁
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死锁的例子（3）
对临时性资源使用不加限制引起死锁
资源的类型： 永久性资源：可供进程逐次再使用的资源； 临时性资源(消耗性资源)：由一进程产生而被另一进 程消耗掉，只能使用短暂的时间。
产生和发送
Pm
an1
an2
…
amj
…
amn
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(1) 把未阻塞(Ci=0)的进程Pi记录在L表中(其全部资源请求已 得到满足的进程)； (2) 从L表中选择一进程，根据资源分配表S释放分配给该进程 的所有资源； (3) 由进程等待表W依次检查和修改需要该进程释放资源的每 一个进程的等待计数器Cj； (4) 若Cj=0，则表示该进程所请求的资源已得到满足，不再阻 塞，将Pj记入L表中； (5)再从L表中选取另一进程，重复上述操作； (6) 若所有的进程都记入L表中，则系统初始状态为非死锁状 态，否则为死锁状态。
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死锁避免
max r1 P1 P2 7 3 r2 5 2 r3 3 2 P1 P2 P3
Available
r1
2
r2
3
r3
0
allocation r1 0 3 3 r2 1 0 0 r3 0 2 2 P1 P2 P3 P4 P5
need r1 7 0 6 0 4 r2 4 2 0 1 3 r3 3 0 0 1 1
缺陷：进程实际使用资源的顺序不一定 与资源的编号一致，会造成资源浪费。
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资源有序分配的实例
例如 ＃1: 卡片读入机 ＃2： 打印机 ＃3： 绘图仪 ＃4： 磁带驱动器 ＃5： 卡片穿孔机
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资源受控动态分配
系统中对进程发出的每一个系统能够 满足的资源申请进行动态检查，并根 据检查结果决定是否分配资源；如果 分配后系统可能发生死锁，则不予分 配，否则予以分配。
缺陷：降低资源的利用率。
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资源有序分配法
第四个必要条件
解决方法：把系统中所有资源排序加以全局编号， 进程申请资源时必须严格按资源编号的递增次序 进行，否则操作系统不予分配。 具体为，低优先级的资源申请高于高级资源，释 放资源的顺序和申请资源的次序相反。占用高级 资源时，若要申请低级资源，则高级资源需要先 行释放。
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4、发现死锁
通过设臵某些限制条件，去破坏死锁四个必要条件 中的一个或多个，来防止死锁。 在系统设计时确定资源分配算法，限制进程对资源 的申请，从而保证不发生死锁。 较易实现，广泛使用，但由于所施加的限制往往 太严格，可能导致系统资源利用率和系统吞吐量的 降低。
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当前进程的权值：weight=counter+priority+1 实时进程的权值：weight = 1000+rt_priority Weight是linux系统在进程调度过程中选择进程的唯一标准
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相关系统调用
系统调用:广义指令，操作系统提供给用户使 用的程序界面。 表3-4简要列出了和进程及进程间通信相关的 系统调用。
5、进程向量L：记录当前已不占有资源的诸进程。
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请求矩阵Request
资源
进程 P1 P2 … Pi R1 b11 b12 … b1j R2 b21 b22 … b2j … … … … … Rj b1j b2j … bij … … … … … Rm bm1 bm2 … bmj
… Pm
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单项资源的银行家算法
例如，设系统中有 10 台磁带机，由三个进程A、 B、C共享。假定A、B、C已分别占用了 2 台、3 台、 3 台，它们的最大需求量分别为4 台、 6 台、 8 台。 （假定只有当满足了最大需求量后才能释放所占用的 全部资源。）
进程名
A B C
已分配数
2 3 3
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关于死锁的一些结论
参与死锁的进程最少是两个（或是两个以上进程） 参与死锁的进程至少有两个已经占有资源 参与死锁的所有进程都在等待资源
如果死锁发生，会浪费大量系统资源，甚至 导致系统崩溃。
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2、产生死锁的原因和必要条件
原因：系统资源不足； 进程推进顺序不合适；
… bm1
… bm2
… …
… bmj
… …
… bmn
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分配矩阵Allocation
资源 进程 P1 P2 … Pi …
R1 a11
a21 … ai1 …
R2 a12
a22 … ai2 …
… …
… … … …
Rj a1j
a2j … aij …
… …
… … … …
Rn a1n
a2n … ain …
（1）T0时刻是否为安全状态？若是，给出安全序列。 （2）如果P2申请资源（0,3,4），能否分配？为什么？
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Linux中的进程
Linux进程控制块PCB简介 进程的状态 进程调度 相关系统调用 信号量 等待队列 管道 Linux内核体系结构
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Linux进程控制块PCB
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Linux信号量定义
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Linux 信号量数据结构中包含的信息
该域用来跟踪希望访问该资源的进程个数。正值 表示资源是可用的，而负值或零表示有进程正在 等待该资源。该计数的初始值为 1，表明同一时 刻有且只能有一个进程可访问该资源。进程要访 问该资源时，对该计数减 1，结束对该资源的访 问时，对该计数加 1。 等待该资源的进程个数，也是当该资源空闲时等 待唤醒的进程个数。 某个进程等待该资源时被添加到该等待队列中。 用来实现对 waking 域的互斥访问的 Buzz 锁 （自旋锁spin lock ）。
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进程调度（2）
rt_priority 相对优先级（0-99）
(20*HZ / 100) // 其中：HZ=100
#define DEF_PRIORITY
几个计算式子： 普通进程的权值：counter = counter / 2 + priority
weight=counter+prinority
进程Pa 请求打印机 请求磁带机 释放打印机 释放磁带机
进程Pb 请求磁带机 请求打印机 释放磁带机 释放打印机
打印机 Pb
磁带机
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死锁的例子（2）
同类资源分配不当引起死锁
系统中有m个资源被n个进程共享，当每个进 程都要求K个资源，而m<n*K时，如果分配不 得当就可能引起死锁。 例如：m=4，n=4，K=2，执行中采用的分 配策略是为每个进程轮流分配资源。 假设每个进程对资源的申请和释放符合下列原 则： 一次只能申请一个单位；满足总申请后才 能使用；使用完后一次性释放
撤销进程的代价(代价最小)
•进程优先级 •进程运行代价（已运行的%） •进程类型
方法二：资源剥夺法
从一些进程剥夺足够的资源，分配给死锁的进程。
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作业
设系统中有3种类型的资源(A,B,C)和5个进程(P1, P2, P3, P4, P5)，A资源的数量为17，B资源的数量为 5，C资源的数量为20。在T0时刻系统状态如下表。
TASK_SWAPPING
进程交换到交换区
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进程与线程
线程
+ 堆栈 + 执行上下文TSS
进程 进程
线程
本质区别 进程地址空间独立 线程共享地址空间
+ + + + + +
代码 数据 堆栈 文件 IO 虚存
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进程调度（1）
调度策略
检测算法
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算法描述
Work:=Available; L:={ Li | Allocationi=0 Requesti=0 }; For all LiL do begin for all Requesti Work begin Work = Work +Allocationi Li L end end deadlock:=(L={P1,P2,…,Pn}
P2: 5 3 2
P4: 7 4 3
P1: 7 5 3 P3: 10 5 5 P5: 10 5 7
P3
P4 P5
9
2 4
0
2 3
2
2 3
P4
P5
2
0
1
0
1
2
P2 P4 P1 P3 P5
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5.解除死锁
方法一：撤销进程法
按照一定的次序逐次删除已死锁的进程，直到获得足 够的资源，解除死锁为止。
七、死锁
死锁原因和必要条件
死锁例子
死锁概念 产生死锁的原因和必要条件
预防死锁
资源独占(静态分配） 资源顺序分配
资源受控动态分配 （避免死锁）
发现死锁 （死锁检测） 解除死锁
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死锁的例子（1）
进程推进顺序不当产生死锁
cobegin Pa; Pb; coend
SCHED_OTHER SCHED_FIFO SCHED_RR 普通进程 执行时间不长的实时进程 （更高优先级可抢占CPU） 轮转的实时进程 （相同优先级进程用时间片调度）
weight priority counter
权值 静态优先级（时间片大小，单位时标） 动态优先级，当前的时间配额
DEF_PRIORITY =20， （每个时标10ms）
必要条件
互斥控制（资源独占） 非剥夺控制（不可剥夺） 请求和保持（部分分配，占有申请） 环路条件（循环等待）
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P1
P2 分 已 P1 请 求 配 F 请 求
P2 T
已
配 分
F 申请不来自百度文库类型的资源
T
简单的死锁例子
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3、预防死锁
通过设臵某些限制条件，去破坏死锁四个必 要条件中的一个或多个，来防止死锁。 在系统设计时确定资源分配算法，限制进程 对资源的申请，从而保证不发生死锁。 较易实现，广泛使用，但由于所施加的限 制往往太严格，可能导致系统资源利用率和 系统吞吐量的降低。
task 数组:进程控制块指针的集合（512个） task_struct结构 进程标识 进程状态 调度信息 进程链 时间片 进程通信信息 内存资源信息 文件资源信息 进程上下文
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Linux进程状态表
进程状态 TASK_RUNNING TASK_INTERRUPTIBLE TASK_UNINTERRUPTIBLE TASK_ZOMBIE TASK_STOPPED 值 0 1 2 4 8 就绪 浅度睡眠 深度睡眠 僵死 暂停 说明
由于在避免死锁的策略中，允许进程动 态地申请资源。因而，系统在进行资源 分配之前预先计算资源分配的安全性。 若此次分配不会导致系统进入不安全状 态，则将资源分配给进程；否则，进程 等待。 最具有代表性的避免死锁算法：银行家 算法。
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安全状态与不安全状态
如果系统能按某种顺序为每个进程分配 其所需的资源，直至所有进程都能运行 完成，称系统处于安全状态。 若不存在这样一个安全序列称系统处于 不安全状态。
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静态资源分配
解决方法：
第一个必要条件
要求每一个进程在开始执行前就申请它所 需要的全部资源，仅当系统能满足进程的 资源申请要求且把资源分配给进程后，该 进程才能开始执行。 进程在执行过程中不再申请资源，故不可 能出现占有了某些资源再等待其他资源的 情况，即能使得“占有并等待”的条件不 成立，从而防止死锁的发生。
尚需申请数
2 3 5
最大需求数 剩余资源
4 6 8 2
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死锁检测中的数据结构
1、可用资源向量Available：表示m类资源中，每一 类的可用数目。
2、请求矩阵Request：是n m 矩阵，表示进程当 前对各类资源的请求数目。 3、分配矩阵Allocation：是 n m矩阵，用以表示 进程某一时刻的资源分配情况。 4、工作向量Work：表示系统可提供给进程继续运行 的各类资源数目。
Pa
S资源表示消息或信件 对信件的接收和发送不加限制
请求接收
Sc
Pc Sb
Sa
Pb
cobegin Pa; Pb; Pc; coend
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1、死锁概念
如果在一个进程集合中的每个进程都在等待 只能由该集合中的其他一个进程才能引发的事 件，则称这一组进程或系统此时发生了死锁。
一组进程中，每个进程都在无限等待被该 组进程中另一个进程所占有的永远不会释放的 资源，这种现象称系统处于死锁状态，简称死 锁。处于死锁状态的进程就称为死锁进程.
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R
R
P1
P2 (a)
P3
P4
P1
P2 (b)
P3
存储器共享的死锁
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死锁的例子（3）
对临时性资源使用不加限制引起死锁
资源的类型： 永久性资源：可供进程逐次再使用的资源； 临时性资源(消耗性资源)：由一进程产生而被另一进 程消耗掉，只能使用短暂的时间。
产生和发送
Pm
an1
an2
…
amj
…
amn
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(1) 把未阻塞(Ci=0)的进程Pi记录在L表中(其全部资源请求已 得到满足的进程)； (2) 从L表中选择一进程，根据资源分配表S释放分配给该进程 的所有资源； (3) 由进程等待表W依次检查和修改需要该进程释放资源的每 一个进程的等待计数器Cj； (4) 若Cj=0，则表示该进程所请求的资源已得到满足，不再阻 塞，将Pj记入L表中； (5)再从L表中选取另一进程，重复上述操作； (6) 若所有的进程都记入L表中，则系统初始状态为非死锁状 态，否则为死锁状态。
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死锁避免
max r1 P1 P2 7 3 r2 5 2 r3 3 2 P1 P2 P3
Available
r1
2
r2
3
r3
0
allocation r1 0 3 3 r2 1 0 0 r3 0 2 2 P1 P2 P3 P4 P5
need r1 7 0 6 0 4 r2 4 2 0 1 3 r3 3 0 0 1 1
缺陷：进程实际使用资源的顺序不一定 与资源的编号一致，会造成资源浪费。
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资源有序分配的实例
例如 ＃1: 卡片读入机 ＃2： 打印机 ＃3： 绘图仪 ＃4： 磁带驱动器 ＃5： 卡片穿孔机
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资源受控动态分配
系统中对进程发出的每一个系统能够 满足的资源申请进行动态检查，并根 据检查结果决定是否分配资源；如果 分配后系统可能发生死锁，则不予分 配，否则予以分配。
缺陷：降低资源的利用率。
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资源有序分配法
第四个必要条件
解决方法：把系统中所有资源排序加以全局编号， 进程申请资源时必须严格按资源编号的递增次序 进行，否则操作系统不予分配。 具体为，低优先级的资源申请高于高级资源，释 放资源的顺序和申请资源的次序相反。占用高级 资源时，若要申请低级资源，则高级资源需要先 行释放。
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4、发现死锁
通过设臵某些限制条件，去破坏死锁四个必要条件 中的一个或多个，来防止死锁。 在系统设计时确定资源分配算法，限制进程对资源 的申请，从而保证不发生死锁。 较易实现，广泛使用，但由于所施加的限制往往 太严格，可能导致系统资源利用率和系统吞吐量的 降低。
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当前进程的权值：weight=counter+priority+1 实时进程的权值：weight = 1000+rt_priority Weight是linux系统在进程调度过程中选择进程的唯一标准
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相关系统调用
系统调用:广义指令，操作系统提供给用户使 用的程序界面。 表3-4简要列出了和进程及进程间通信相关的 系统调用。
5、进程向量L：记录当前已不占有资源的诸进程。
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请求矩阵Request
资源
进程 P1 P2 … Pi R1 b11 b12 … b1j R2 b21 b22 … b2j … … … … … Rj b1j b2j … bij … … … … … Rm bm1 bm2 … bmj
… Pm
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单项资源的银行家算法
例如，设系统中有 10 台磁带机，由三个进程A、 B、C共享。假定A、B、C已分别占用了 2 台、3 台、 3 台，它们的最大需求量分别为4 台、 6 台、 8 台。 （假定只有当满足了最大需求量后才能释放所占用的 全部资源。）
进程名
A B C
已分配数
2 3 3
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关于死锁的一些结论
参与死锁的进程最少是两个（或是两个以上进程） 参与死锁的进程至少有两个已经占有资源 参与死锁的所有进程都在等待资源
如果死锁发生，会浪费大量系统资源，甚至 导致系统崩溃。
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2、产生死锁的原因和必要条件
原因：系统资源不足； 进程推进顺序不合适；
… bm1
… bm2
… …
… bmj
… …
… bmn
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分配矩阵Allocation
资源 进程 P1 P2 … Pi …
R1 a11
a21 … ai1 …
R2 a12
a22 … ai2 …
… …
… … … …
Rj a1j
a2j … aij …
… …
… … … …
Rn a1n
a2n … ain …
（1）T0时刻是否为安全状态？若是，给出安全序列。 （2）如果P2申请资源（0,3,4），能否分配？为什么？
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Linux中的进程
Linux进程控制块PCB简介 进程的状态 进程调度 相关系统调用 信号量 等待队列 管道 Linux内核体系结构
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Linux进程控制块PCB
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Linux信号量定义
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Linux 信号量数据结构中包含的信息
该域用来跟踪希望访问该资源的进程个数。正值 表示资源是可用的，而负值或零表示有进程正在 等待该资源。该计数的初始值为 1，表明同一时 刻有且只能有一个进程可访问该资源。进程要访 问该资源时，对该计数减 1，结束对该资源的访 问时，对该计数加 1。 等待该资源的进程个数，也是当该资源空闲时等 待唤醒的进程个数。 某个进程等待该资源时被添加到该等待队列中。 用来实现对 waking 域的互斥访问的 Buzz 锁 （自旋锁spin lock ）。
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进程调度（2）
rt_priority 相对优先级（0-99）
(20*HZ / 100) // 其中：HZ=100
#define DEF_PRIORITY
几个计算式子： 普通进程的权值：counter = counter / 2 + priority
weight=counter+prinority