计算机操作系统(第四版)第三章死锁

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银行家算法
银行家算法是最有代表性的避免死锁 算法，是Dijkstra提出的银行家算法。这是 由于该算法能用于银行系统现金贷款的发 放而得名。
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银行家可以把一定数量的资金供多个用户周转使用,为 保证资金的安全,银行家规定: (1)当一个用户对资金的最大需求量不超过很行家现有的资 金时可接纳该用户. (2)用户可以分期贷款,但贷款的总数不能超过最大需求量;
优点:资源利用率和系统吞吐量与另两种方法相比有较明显的改善 缺点： 1）为系统中各种类型的资源所分配的序号必须相对稳定，这就限 制了新设备类型的增加； 2） 进程实际使用资源的顺序与系统规定的顺序不同而造成资源的 浪费；
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死锁避免
如果操作系统能保证所有的进程在有限的时间 内得到需要的全部资源,则称系统处于安全状态,否则 称系统是不安全的. 避免死锁与预防死锁的区别在于: 预防死锁是设法至少破坏产生死锁的必要条件之 一，严格地防止死锁的出现。 避免死锁，它是在进程请求分配资源时，采用银 行家算法等防止系统进入不安全状态。
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安全状态的例子
例：假定系统有三个进程P1、P2、P3，共有12台磁带机。 进程P1 、P2和P3分别需要10台、4台和9台。设在T0时 刻，进程P1、P2和P3已经获得5台、2台和2台，还有3 台空闲没有分配。 进程 最大需求 10 4 9 已分配 5 2 2 可用 3
P1
P2 P3
T0时刻系统是安全的。这时存在一个安全序列<P2，P1，P3>
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CPU、主存、硬盘，该类资源可为几个进程 共同使用（可抢占）（共享资源 ）
资源 打印机，读卡机，磁带机，可为某个进程独 享（不可抢占）（独享资源）
根据使用方式:共享资源和独享资源
。
根据使用期限:永久资源和临时性资源。
由一个进程产生，被另外一个进程使用短暂时间之 后便不再使用的资源，如：消息、同步信号等等。
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我们先来看一个申请不同类型资源的死锁例子： 假定有两个进程Pl和P2，设F和T都是可重用资源。于是 Pl和P2可有如下形式：
图 简单的死锁例子
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三、产生死锁的原因
1 竞争资源 当系统中供多个进程所共享的资源，不足 以同时满足它们的需要时，引起它们对资源的竞争 而产生死锁； 答：不可能。因为死锁产生的原因有两点：系统资源不足或推进 2 进程推进的顺序不当 进程在运行过程中，请求和 顺序不当，在本题中，进程所需的最大资源数为 60，而系统共有 释放资源的顺序不当，导致进程的死锁。 该类资源 65个，其资源数已足够系统内各进程使用。 例题： 一个OS有20个进程，竞争使用65个同类资源， 申请方式是逐个进行的，一旦某个进程获得它所需 要的全部资源，则立即归还所有资源。每个进程最 多使用三个资源。若仅考虑这类资源，该系统有无 可能产生死锁，为什么？
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2 0 2 3
3
2 2 2 3
0 1 2 0
3 0 2 1 0 0
0 0
2 1 2
7 4
1 2 6 0 0 1 4 3
3 3 3
2 0 1 1
2
P1
P2 P3 P4
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10,5 7
进程
资源情况
最大值 Max A B C 7 5 3 9 2 4 2 0 2 3 3 2 2 2 3
已分配 Allocation A B C
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3. 防止“环路等待”条件的出现(层次分配策略)
这种方法的基本思想是：资源被分成多个层次,一个进程 得到某一层的一个资源后,它只能再申请较高一层的资源;当一 个进程要释放某层的一个资源时,必须先释放所占用的较高层 的资源;当一个进程获得了某一层的一个资源后,它想再申请该 层中的另一个资源,就必须先释放该层中的已占用资源.
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二、死锁的定义
计算机系统中多道程序并发执行时，两个或两个以上的进 1）死锁：是一种相互或循环 2）饥饿：不是循环等待的局 程由于竞争资源而造成的一种互相等待的现象（僵局），如无 等待的局面，且它们等待的事 面，而是一种单向等待； 外力作用，这些进程将永远不能再向前推进。 件是决不会发生的； 死锁Deadlock：系统中存在一组进程它们等待的事件不是没有 (两个或多个进程),它们 中的每一个进程都占用了某种资源而又都在等待其中另一进程 被死锁的进程应该是两个 发生，而是总被别的进程抢先 所占用的资源,这种等待永远不能结束 ,则说系统出现了“死 或两个以上，一个进程不可能 以致一直轮不到（很难轮到） 锁”,或说这组进程处于死锁状态。 自己把自己锁上，除非出现程 它们。饥饿的进程可能是一个 陷入死锁状态的进程称为死锁进程， 所占用的资源或者需 序设计错误。 要它们进行某种合作的其它进程就会相继陷入死锁，最终可能 或多个。 导致整个系统处于瘫痪状态。 死锁和饥饿的主要差别是什么？ 仅涉及一个进程的死锁有可能存在吗?为什么?
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要记住的一些变量的名称 1 Available（可利用资源总数） 某类可利用的资源数目，其初值是系统中所配置的该类 全部可用资源数目。 2 Max：某个进程对某类资源的最大需求数 3 Allocation： 某类资源已分配给某进程的资源数。 4 Need：某个进程还需要的各类资源数。 Need= Max-Allocation 系统把进程请求的资源(Request)分配给它以后要修改的变量 Available:=Available-Request; Allocation:=Allocation+Request; Need:= Need- Request;
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例1:进程推进顺序不当产生死锁问题. 例2:PV操作使用不当产生死锁. 例3:同类资源分配不当引起死锁. 例4:对临时性资源使用不加限制引起死锁 综上:产生死锁的因素不仅与系统拥有的资源数量有关，而且与 资源分配策略，进程对资源的使用要求以及并发进程的推进 顺序有关。 但以下两种情况进程永远等待不属于要讨论的死锁问题： (1)某个进程申请系统中不存在的资源或申请的资源数超过了系 统拥有的最大资源数。 (2)硬件故障或程序性错误引起的循环等待。
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四、产生死锁的四个必要条件
⑴互斥条件 : 资源在一段时间内只能被一个进程 所使用。（临界资源）
⑵请求和保持条件 : 一个进程请求资源得不到满 足而等待,但不释放已占有的资源。（部分分配)
⑶不剥夺条件 : 一个资源仅能被占有它的进程所 释放，而不能被其他进程剥夺。（主动释放） ⑷环路等待条件 : 存在一个进程资源的环路链， 链中每一个进程占用着某些资源，又在等待另 一个进程占有的资源。
根据使用方式：共享资源和独享资源(即非临界资源与临界资源) 。
根据使用期限: 永久资源和临时性资源。
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CPU、主存、硬盘，该类资源可为几个进程 共同使用（可抢占）
资源 打印机，读卡机，磁带机，可为某个进程独 享（不可抢占）
Leabharlann Baidu
根据使用方式：共享资源和独享资源。 根据使用期限；永久资源和临时性资源。
可重复使用的资源,如：内存、 外部设备、数据文件、表格等
还需要 Need A B C 7 4 1 2 3 2 Available A B C 3 3 2
可用
P0 P1 P2 P3 P4
0 1
2 0
0
0
3 0 2 2 1 1
0 0 2
6 0 0 0 1 1
4 3 1
Work＋Allocation
工作向量Work.它表示系统可提供给进程继续运行所需要的各类资源的数目 资源情况 进程 P1 P3 P4 P2 P0 work A B C 3 3 5 3 7 4 7 4 10 4 2 2 3 5 7 Need A B C 1 2 0 1 4 3 6 0 7 4 2 1 1 0 3
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2 预防死锁
根据产生死锁的四个必要条件，只要使其中之 一不能成立，死锁就不会出现。 但必要条件 1 是由 设备的固有特性所决定的，不仅不能改变，相反还 应加以保证，因此实际上只有三种方法。
1．破坏请求和保持条件 2．破坏不剥夺条件 3．破坏环路等待条件
预防死锁是一种较易实现的方法，已被广泛使 用，但由于所施加的限制条件往往太严格，可能导 致系统资源利用率和系统吞吐量降低。
资源严重浪费
进程运行延迟
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2 . 防止“不剥夺”条件的出现
采用的策略：一个已经占有了某些资源的进程，当 它再提出新的资源要求而不能立即得到满足时，必 须释放它已经占有的所有资源，待以后需要时再重 新申请。 缺点： 1）实现比较复杂，且要付出很大代价； 2）还因为反复地申请和释放资源，而使进程的执行 无限地推迟，延长了周转时间，增加了系统的开销， 降低了系统吞吐量（例如打印机打印的结果不连续）
解决死锁的方法一般可分为 : 预防 、 避免、检测和解除四种. 10
死锁的排除方法
1 鸵鸟算法 2 预防死锁 3 避免死锁 4 检测和解除死锁
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鸵鸟算法（置之不理）
解决死锁的最简单方法就是鸵鸟算法。即像 鸵鸟一样，当遇到危险时，将头埋进沙子里，假 装毫无问题。 当死锁在计算机中很少出现时，比如说每五年 或更长时间才出现一次时，人们就不必花费更多 的精力去解决它，而是采用类似鸵鸟一样的办法 忽略它。 以UNIX系统为例，它潜在地存在死锁，但它 并不花功夫去检测和解除死锁，而是忽略不去理 它。
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在资源的动态分配的过程中，使用某种方法去防 止系统进入不安全状态，从而避免死锁的发生。 虽然并非所有不安全状态都是死锁状态， 系统状态： 安全状态：指系统能按照某种顺序 但当系统进入不安全状态后，便有可能进入死 如 <P1,P2,…,Pn>，为每个进程分配所需的资源，直 至最大需求，使得每个进程都能顺利完成 (称为 锁状态；反之只要系统处于安全状态，系统便 <P1,P2,…,Pn> 序列为安全序列) 。 非安全状态： 可避免进入死锁状态。因此，避免死锁的实质 即在某个时刻系统中不存在一个安全序列，则称系统 是如何使系统不进入不安全状态。（银行家算 处于不安全状态或非安全状态。 法） 注意: 1）安全序列不一定只有一个 2）系统只要处在安全状态，就肯定不会发生死锁 3）系统处在不安全状态下时，未必一定会发生死锁
(3)当银行家现有的资金不能满足用户的尚需总数时,对用 户的贷款可推迟支付,但总能使用户在有限的时间里得到贷款;
(4)当用户得到所需的全部资金后,一定能在有限的时间里 归还所有资金 银行家算法是通过动态地检测系统中资源分配情况和进 程对资源的需求情况来决定如何分配资源的，在能确保系统 处于安全状态时才能把资源分配给申请者，从而避免系统发 生死锁。
Allocation A B C
2 0 2 1 0 0 3 0 0 1 0 1 2 2 0
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1．破坏“请求和保持条件”(静态分配策略)
系统要求任一进程必须预先申请它所需的全部资源， 而且仅当该进程的全部资源要求能得到满足时，系统才 能给予一次性分配，然后启动该进程运行，但是在分配 时只要有一种资源不满足，系统就不会给进程分配资源。 进程运行期间，不会再请求新的资源，所以，再分配就 不会发生（摒弃了部分分配）。 缺点：
资源的分类
根据资源性质：可剥夺（抢占）和不可剥夺（非抢占）资源。 可抢占资源—指占用资源的进程虽然还需要使用该资源，但 另一个进程却强行把资源抢走。 不可抢占资源—指只有占用者进程不再需要使用该资源而主 动释放资源外，其它进程不得在占有者进程使用资源过程中强 行抢占。
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CPU、主存、硬盘，该类资源可为几个进程 共同使用（可抢占） 资源 打印机，读卡机，磁带驱动器，可为某个进 程独享（不可抢占）
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例题：假定系统中有五个进程{P0、P1、P2、 P3、P4}和三种类型的资源{A，B，C}，每一 种资源的数量分别为10、5、7，在T0时刻的 资源分配情况如图
资源情况 进程
Max Need Allocation A B C A B C A B C
Available A B C
P0
7
3 9 2 4
死锁
资源 死锁的定义 产生死锁的原因 产生死锁的必要条件 处理死锁的基本方法
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一、资源的概念
OS是计算机系统中资源的管理者，而进程是竞争资源的基 本单位，故对系统中所有进程的资源分配工作，都由OS完成。 研究资源分配时，我们必须弄清楚该资源是可以被几个进 程同时使用，还是只能为一个进程使用，资源的不同使用性质 正是引起系统死锁的原因。