操作系统中关于竞争和死锁的关系（操作系统基础18-死锁）

在多道程序环境中，多个进程可以竞争有限数量的资源。当一个进程申请资源时，如果这时没有可用资源，那么这个进程进入等待状态。有时，如果所申请的资源被其他等待进程占有，那么该等待进程有可能再也无法改变状态。这种情况称为死锁。

死锁、饥饿、死循环的区别

生活中的死锁现象

生活中的死锁

有一个系统拥有有限数量的资源，需要分配到若干竞争进程。这些资源可以分成多种类型，每种类型有一定数量的实例。资源类型有很多，如 CPU 周期、文件、I/O 设备（打印机和 DVD 驱动器）等。如果一个系统有两个 CPU，那么资源类型 CPU 就有两个实例。类似地，资源类型打印机可能有 5 个实例。如果一个进程申请某个资源类型的一个实例，那么分配这种类型的任何实例都可满足申请。否则，这些实例就不相同，并且资源分类没有定义正确。例如，一个系统有两台打印机。如果没有人关心哪台打印机打印哪些输出，那么这两台打印机可定义为属于同样的资源类型。然而，如果一台打印机在九楼，而另一台在底楼，那么九楼的用户就不会认为这两台打印机是相同的，这样每个打印机就可能需要定义成属于单独的类型。各种同步工具如互斥锁和信号量，也应作为系统资源，它们是常见的死锁源。然而，一个锁通常与保护某个特定的数据结构相关联，即一个锁可用于保护队列的访问，另一个锁保护访问链接列表的访问，等等。由于这个原因，每个锁通常有自己的资源类型，并且这种定义不是一个问题。进程在使用资源前应申请资源，在使用资源之后应释放资源。一个进程可能要申请许多资源，以便完成指定任务。显然，申请的资源数量不能超过系统所有资源的总和。换言之，如果系统只有两台打印机，那么进程就不能申请三台打印机。在正常操作模式下，进程只能按如下顺序使用资源：

• 申请：进程请求资源。如果申请不能立即被允许（例如，申请的资源正在被其他进程使用)，那么申请进程应等待，直到它能获得该资源为止。
• 使用：进程对资源进行操作（例如，如果资源是打印机，那么进程就可以在打印机上打印了）。
• 释放：进程释放资源。

当进程或线程每次使用内核管理的资源时，操作系统会检查以确保该进程或线程已经请求并获得了资源。系统表记录每个资源是否是空闲的或分配的。对于每个已分配的资源，该表还记录了它被分配的进程。如果进程申请的资源正在为其他进程所使用，那么该进程会添加到该资源的等待队列上。当一组进程内的每个进程都在等待一个事件，而这一事件只能由这一组进程的另一个进程引起，那么这组进程就处于死锁状态。这里所关心的主要事件是资源的获取和释放。资源可能是物理资源（例如，打印机、磁带驱动器、内存空间和 CPU 周期）或逻辑资源（例如，信号量、互斥锁和文件）。然而，其他类型的事件也会导致死锁（例如 IPC 功能）。为说明死锁状态，假设一个系统具有三个 CD 刻录机。假定有三个进程，每个进程都占用了一台 CD 刻录机。如果每个进程现在需要另一台刻录机，那么这三个进程会处于死锁状态。每个进程都在等待事件“CD刻录机被释放”，这仅可能由一个等待进程来完成。这个例子说明了涉及同一种资源类型的死锁。死锁也可能涉及不同资源类型。例如，假设一个系统有一台打印机和一台 DVD 驱动器。假如进程 Pi 占有 DVD 驱动器而进程 P2 占有打印机。如果 Pi 申请打印机而 Pj 申请 DVD 驱动器，那么就会出现死锁。多线程应用程序的开发人员应始终警惕可能的死锁。多线程应用程序容易死锁，因为多线程可能竞争共享资源。

发生死锁时，进程永远不能完成，系统资源被阻碍使用，以致于阻止了其他作业开始执行。在讨论处理死锁问题的各种方法之前，我们首先深入讨论一下死锁特点。

如果在一个系统中以下四个条件同时成立，那么就能引起死锁：

1. 互斥(mutual exclusion)：至少有一个资源必须处于非共享模式，即一次只有一个进程可使用。如果另一进程申请该资源，那么申请进程应等到该资源释放为止。
2. 占有并等待(hold and wait)：—个进程应占有至少一个资源，并等待另一个资源，而该资源为其他进程所占有。
3. 非抢占(no preemption)：资源不能被抢占，即资源只能被进程在完成任务后自愿释放。
4. 循环等待(circular wait)：有一组等待进程 {P0，P1，…，Pn}，P0 等待的资源为 P1 占有，P1 等待的资源为 P2 占有，……，Pn-1 等待的资源为 Pn 占有，Pn 等待的资源为 P0 占有。

我们强调所有四个条件必须同时成立才会出现死锁。循环等待条件意味着占有并等待条件，这样四个条件并不完全独立。

通过称为系统资源分配图的有向图可以更精确地描述死锁。该图包括一个节点集合 V 和一个边集合 E。节点集合 V 可分成两种类型：P={P1，p2,…，Pn}（系统所有活动进程的集合）和 R={R1，R2，…，Rm}（系统所有资源类型的集合）。从进程 Pi 到资源类型 Rj 的有向边记为 Pi->Rj，它表示进程 Pi 已经申请了资源类型 Rj 的一个实例，并且正在等待这个资源。从资源类型 Rj 到进程 Pi 的有向边记为 Rj->Pi，它表示资源类型 Rj 的一个实例已经分配给了进程 Pi。有向边 Pi->Rj 称为申请边，有向边 Rj->Pi 称为分配边。在图形上，用圆表示进程 Pi，用矩形表示资源类型 Rj。由于资源类型 Rj 可能有多个实例，所以矩形内的点的数量表示实例数量。注意申请边只指向矩形 Rj，而分配边应指定矩形内的某个圆点。当进程 Pi 申请资源类型 Rj 的一个实例时，就在资源分配图中加入一条申请边。当该申请可以得到满足时，那么申请边就立即转换成分配边。当进程不再需要访问资源时，它就释放资源，因此就删除了分配边。

图 1 资源分配图

图 1 的资源分配图表示了如下情况：

1.集合 P、R 和 E：

• P={P1,P2,P3}

• R={R1,R2,R3,R4}

• E={P1 -> R1,P2 -> R3,R1 -> P2,R2 -> P2,R2 -> P1,R3 -> P3}

2.资源实例：

• 资源类型 R1 有 1 个实例；
• 资源类型 R2 有 2 个实例；
• 资源类型 R3 有 1 个实例；
• 资源类型 R4 有 3 个实例；

3.进程状态：

• 进程 P1 占有资源类型 R2 的 1 个实例，等待资源类型 R1 的 1 个实例。
• 进程 P2 占有资源类型 R1 的 1 个实例和资源类型 R2 的 1 个实例，等待资源类型 R3 的 1 个实例。
• 进程 P3 占有资源类型 R3 的 1 个实例。

根据资源分配图的定义，可以证明：如果分配图没有环，那么系统就没有进程死锁。如果分配图有环，那么可能存在死锁。如果每个资源类型刚好有一个实例，那么有环就意味着已经出现死锁。如果环上的每个类型只有一个实例，那么就出现了死锁。环上的进程就死锁。在这种情况下，图中的环就是死锁存在的充分且必要条件。如果每个资源类型有多个实例，那么有环并不意味着已经出现了死锁。在这种情况下，图中的环就是死锁存在的必要条件而不是充分条件。为了说明这点，下面回到图 1 所示资源分配图。假设进程 P3 申请了资源类型 R2 的一个资源。由于现在没有资源实例可用，所以就增加了有向边 P3 -> R2（图 2)。

图 2 存在死锁的资源分配图

这时，系统有两个最小环：

P1—> R1—> P2一> R3—> P3—> R2—> P1 P2—> R3—> P3—> R2—> P2

进程 P1、P2 和 P3 死锁了。进程 P2 等待资源类型 R3，而它又被进程 R3 占有。进程 P3 等待进程 P1 或进程 P2 以释放资源类型 R2。另外，进程 P1 等待进程 P2 释放资源 R1。

图 3 具有环的并未死锁的资源分配图

现在考虑图 3 所示的资源分配图。在这个例子中，也有一个环：

P1—> R1—> P3—> R2—> P1

然而，并没有死锁。注意，进程 P4 可能释放资源类型 R2 的实例。这个资源可分配给进程 P3，从而打破环。总而言之，如果资源分配图没有环，那么系统就不处于死锁状态。如果有环，那么系统可能会也可能不会处于死锁状态。在处理死锁问题时，这点是很重要的。

一般来说，处理死锁问题有三种方法：

1. 通过协议来预防或避免死锁，确保系统不会进入死锁状态。

2. 可以允许系统进入死锁状态，然后检测它，并加以恢复。

3.可以忽视这个问题，认为死锁不可能在系统内发生。

第三种解决方案为大多数操作系统所采用，包括 Linux 和 Windows。因此，应用程序开发人员需要自己编写程序，以便处理死锁。

接下来，我们简要阐述每种死锁处理方法。在进行之前，我们应该提一下，有些研究人员认为，这些基本方法不能单独用于处理操作系统的所有资源分配问题。然而，可以将这些基本方法组合起来，为每种系统资源选择一种最佳方法。

死锁预防或死锁避免为了确保死锁不会发生，系统可以采用死锁预防或死锁避免方案。

死锁预防方法确保至少有一个必要条件不成立。这些方法通过限制如何申请资源的方法来预防死锁。死锁避免要求，操作系统事先得到有关进程申请资源和使用资源的额外信息。有了这些额外信息，系统可以确定对于每个申请，进程是否应等待。为了确定当前申请是允许还是延迟，系统应考虑现有的可用资源、已分配给每个进程的资源及每个进程将来申请和释放的资源。

如果系统不使用死锁预防或死锁避免算法，那么死锁情况可能发生。在这种情况下，系统可以提供一个算法来检查系统状态以确定死锁是否发生，提供另一个算法来从死锁中恢复（如果死锁确实已经发生）。 当没有算法用于检测和恢复死锁时，可能出现这样的情况，系统处于死锁，而又没有方法检测到底发生了什么。在这种情况下，未被发现的死锁会导致系统性能下降，因为资源被不能运行的进程占有，而越来越多的进程会因申请资源而进入死锁。最后，整个系统会停止工作，且需要人工重新启动。 虽然这看起来似乎不是一个解决死锁问题的可行方法，但是它却为大多数操作系统所采用，许多系统死锁很少发生，因此与使用频繁的并且开销昂贵的死锁预防、死锁避免和死锁检测与恢复相比，这种方法更为便宜。此外，在有些情况下，系统处于冻结状态而不是死锁状态。例如，一个实时进程按最高优先级来运行（或其他进程在非抢占调用程序下运行），并且不将控制返回到操作系统。因此，系统应有人工方法可从这些状态中恢复过来，这些方法也可用于死锁恢复。

参考资料：《操作系统概念 operating system concepts》