一、死锁的定义
多线程以及多进程改善了系统资源的利用率并提高了系统 的处理能力。然而，并发执行也带来了新的问题——死锁。所谓死锁是指多个线程因竞争资源而造成的一种僵局（互相等待），若无外力作用，这些进程都将无法向前推进。当然其实单个进程或者单个线程重复加同一把锁也会，虽然我们有时候会觉得不可思议，但是有的时候调用的是别人的函数，还是有可能的。
下面我们通过一些实例来说明死锁现象。
先看生活中的一个实例，2个人一起吃饭但是只有一双筷子，2人轮流吃（同时拥有2只筷子才能吃）。某一个时候，一个拿了左筷子，一人拿了右筷子，2个人都同时占用一个资源，等待另一个资源，这个时候甲在等待乙吃完并释放它占有的筷子，同理，乙也在等待甲吃完并释放它占有的筷子，这样就陷入了一个死循环，谁也无法继续吃饭。。。
在计算机系统中也存在类似的情况。例如，某计算机系统中只有一台打印机和一台输入 设备，进程P1正占用输入设备，同时又提出使用打印机的请求，但此时打印机正被进程P2 所占用，而P2在未释放打印机之前，又提出请求使用正被P1占用着的输入设备。这样两个进程相互无休止地等待下去，均无法继续执行，此时两个进程陷入死锁状态。
二、死锁产生的原因
1) 系统资源的竞争
通常系统中拥有的不可剥夺资源，其数量不足以满足多个进程运行的需要，使得进程在 运行过程中，会因争夺资源而陷入僵局，如磁带机、打印机等。只有对不可剥夺资源的竞争 才可能产生死锁，对可剥夺资源的竞争是不会引起死锁的。
2) 进程推进顺序非法
进程在运行过程中，请求和释放资源的顺序不当，也同样会导致死锁。例如，并发进程 P1、P2分别保持了资源R1、R2，而进程P1申请资源R2，进程P2申请资源R1时，两者都 会因为所需资源被占用而阻塞。信号量使用不当也会造成死锁。进程间彼此相互等待对方发来的消息，结果也会使得这 些进程间无法继续向前推进。例如，进程A等待进程B发的消息，进程B又在等待进程A 发的消息，可以看出进程A和B不是因为竞争同一资源，而是在等待对方的资源导致死锁。
3) 死锁产生的必要条件
产生死锁必须同时满足以下四个条件，只要其中任一条件不成立，死锁就不会发生。- 互斥条件：进程要求对所分配的资源（如打印机）进行排他性控制，即在一段时间内某 资源仅为一个进程所占有。此时若有其他进程请求该资源，则请求进程只能等待。
- 不剥夺条件：进程所获得的资源在未使用完毕之前，不能被其他进程强行夺走，即只能 由获得该资源的进程自己来释放（只能是主动释放)。
- 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 已被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但对自己已获得的资源保持不放。
- 循环等待条件：存在一种进程资源的循环等待链，链中每一个进程已获得的资源同时被 链中下一个进程所请求。即存在一个处于等待状态的进程集合{Pl, P2, ..., pn}，其中Pi等 待的资源被P(i+1)占有（i=0, 1, ..., n-1)，Pn等待的资源被P0占有，如图2-15所示。
直观上看，循环等待条件似乎和死锁的定义一样，其实不然。按死锁定义构成等待环所 要求的条件更严，它要求Pi等待的资源必须由P(i+1)来满足，而循环等待条件则无此限制。 例如，系统中有两台输出设备，P0占有一台，PK占有另一台，且K不属于集合{0, 1, ..., n}。
Pn等待一台输出设备，它可以从P0获得，也可能从PK获得。因此，虽然Pn、P0和其他 一些进程形成了循环等待圈，但PK不在圈内，若PK释放了输出设备，则可打破循环等待, 如图2-16所示。因此循环等待只是死锁的必要条件。
资源分配图含圈而系统又不一定有死锁的原因是同类资源数大于1。但若系统中每类资 源都只有一个资源，则资源分配图含圈就变成了系统出现死锁的充分必要条件。
三、处理死锁的方式
1.预防死锁
2.避免死锁
3.检测死锁
4.解除死锁
预防死锁
- 破坏互斥条件
- 破坏请求和保持条件
- 破坏不可剥夺条件
- 破坏环路等待条件
破坏互斥条件
即允许多个进程同时访问资源。但由于资源本身固有特性的限制，此方法不可行。
破坏请求和保持条件
全分配，全释放: 采用预先静态分配方法，即要求进程在运行之前一次性申请它所需要的全部资源，在它的资源未满足前，不把它投入运行。
若系统有足够的资源，便可把进程需要的所有资源分配给它，在整个运行期间便不会再提出资源要求，从而摒弃了请求条件。在该进程的等待期间，它并未占有任何资源，因而也摒弃了保持条件，这样可以保证系统不会发生死锁。
简单安全，但资源浪费严重，可能有饥饿现象，同时必须预知进程所需要的全部资源。
破坏不可剥夺条件
在允许进程动态申请资源前提下，规定一个进程在申请新的资源不能立即得到满足而变为等待状态之前（可以超时等待一会，也可以直接获取不到就不等），必须释放已占有的全部资源，若需要再重新申请。
破坏环路等待条件
采用有序资源分配方法，即将系统中所有资源都按类型赋予一个编号，要求每个进程均严格按照资源序号递增的次序来请求资源, 从而保证任何时刻的资源分配图不出现环路。
例如：系统把所有资源按类型进行排队。如输入机 =1，打印机 =2，磁带机 =3，磁盘机 =4。
如果一个进程已经分配了序号为 i 资源，它接下来请求的资源只能是那些排在 i 之后的资源。
当 i<j时，进程 A 获得 Ri，可以请求 Rj，而进程 B 获得 Rj 再请求 Ri不可能发生，因为资源 Ri 排在 Rj 前面。
在采用这种策略时，总有一个进程占据了较高序号的资源，此后它继续申请的资源必然是空闲的，因而进程可以一直向前推进。
有序资源分配方法的缺点：新增资源不便（原序号已排定） ，用户不能自由申请资源，加重了进程负担。使用资源顺序与申请顺序不同可能造成资源浪费。
避免死锁
不需要事先采取限制措施破坏产生死锁的必要条件（死锁预防）; 在资源的动态分配过程中, 采用某种策略防止系统进入不安全状态, 从而避免发生死锁。
在系统运行过程中，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，若分配后系统可能发生死锁，则不予分配，否则予以分配。
系统的安全状态
安全状态指在某一时刻，系统能按某种进程顺序(p1,p2,…，pn) 来为每个进程 Pi 分配其资源，直到满足每个进程对资源的最大需求，使每个进程都可顺利地完成，则称此时的系统状态为安全状态，称序列(p1,p2,…，pn) 为安全序列。若某一时刻系统中不存在这样一个安全序列，则称此时的系统状态为不安全状态。
在死锁避免的方法中，允许进程动态申请资源，系统在进行资源分配之前，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，便将资源分配给进程，否则进程等待。
死锁状态空间
如果一个系统处于安全状态，就不会死锁。
如果一个系统处于不安全状态，就有可能死锁。
避免死锁的实质：确保系统不进入不安全状态。
安全状态实例
例：假定系统中有三个进程 P1、P2 和 P3，共有 12 台打印机，三个进程对打印机的需求和占有情况如下表所示：
T0 时刻，存在一个安全序列（P2，P1，P3） ，所以系统是安全的。
安全序列可能不唯一
由安全状态向不安全状态的转换
上例中，若 P3 再申请一台，则进入不安全状态。
在 P3 请求资源时，尽管系统中尚有可用的打印机，但却不能分配给它，必须让 P3 一直等待到 P1 和 P2 完成，释放出资源后再将足够的资源分配给 P3。
银行家算法（Banker’s Algorithm）
银行家算法是最具代表性的避免死锁算法（Dijkstra 于1965 年提出）
银行家算法的实质：设法保证系统动态分配资源后不进入不安全状态，以避免可能产生的死锁。
检查是否有足够的剩余资金满足一个距最大请求最近的客户。如果有，这笔贷款被认为是能够收回的。继续检查下一个客户，如果所有投资最终都被收回，那么该状态是安全的，最初的请求可以批准。
银行家算法执行的前提条件：要求进程必须预先提出自己的最大资源请求数量，这一数量不能超过系统资源的总量，系统资源的总量是一定的。
银行家算法中的数据结构
假定系统中有 n 个进程（P1，P2， …，Pn） ，m 类资源（R1，R2， …，Rm） ，银行家算法中使用的数据结构如下：
可利用资源向量：Available[j]=k，表示 Rj类资源有 k 个可用
最大需求矩阵：Max[i,j]=k，进程 Pi最大请求 k 个 Rj类资源
分配矩阵：Allocation[i,j]=k，进程 Pi已经分配到 k 个Rj类资源
需求矩阵：Need[i,j]=k，进程 Pi还需要 k 个 Rj 类资源
Need [i,j] = Max [i,j] – Allocation [i,j]
银行家算法描述（资源分配算法）
假定进程 Pi 请求分配 Rj 类资源 k 个，设 Request[i,j]=k。当进程Pi 发出资源请求后，系统按如下步骤进行检查：
1 如果 Request[i,j] ≤Need[i,j] ，转 (2)；否则出错，因为进程申请资源量超过它声明的最大量。
2 如果 Request[i,j] ≤Available[j] ，转 (3)；否则表示资源不够，需等待。
3 系统试分配资源给进程 Pi，并作如下修改：
Available[j]= Available[j] - Request[i,j]
Allocation[i,j]= Allocation[i,j] + Request[i,j]
Need[i,j]= Need[i,j] - Request[i,j]
4 系统执行安全性算法。若安全，则正式进行分配，否则恢复原状态让进程 Pi 等待。
银行家算法描述（安全性算法）
为了进行安全性检查，需要定义如下数据结构：
1 工作变量 work[m]：记录可用资源。开始时，Work=Available。
2 finish[n]：记录系统是否有足够的资源分配给进程，使之运行完成。开始时，finish[i]=false；当有足够资源分配给进程 Pi 时，令finish[i]=true。
银行家算法例题1
例：假定系统中有 5 个进程 P0 到 P4，3 类资源及数量分别为 A(10 个） ，B（5 个） ，C（7 个） ，T0 时刻的资源分配情况如下：
P1 发出请求向量 Request1(1,0,2)
已知 Need1 (1,2,2)，Available (3,3,2)
系统按银行家算法进行检查：
Request1 (1,0,2) ≤ Need1 (1,2,2)
Request1 (1,0,2) ≤ Available (3,3,2)
系统试为 P1 分配资源，并修改相应的向量Available、Need、Allocation
P4 发出请求向量 Request4(3,3,0)，系统按银行家算法进行检查：
Request4(3,3,0) ≤ Need4 (4,3,1)
Request4 (3,3,0) > Available (2,3,0)
资源不够，让 P4 等待
P0 请求资源 Request0(0,2,0)
P0 发出请求向量 Request0(0,2,0)，系统按银行家算法进行检查：
Request0(0,2,0) ≤ Need0 (7,4,3)
Request0 (0,2,0) ≤ Available (2,3,0)
系统试为 P0 分配资源，并修改相应的向量
Available、Need、Allocation
银行家算法例题2
T0 时刻的资源分配情况如下：
剩余资源向量为：Available = （2, 3, 3）
1.T0 时刻是否为安全状态？若是，请给出安全序列。
2.在 T0 时刻若进程 P2 请求资源（0，3，4） ，是否能实施资源分配？
因为 Request2（0, 3, 4）> Available （2, 3, 3）所以不能满足进程 P2 的请求。
3.若进程 P4 请求资源（2，0，0） ，是否可以资源分配？
Request4（2, 0, 0）≤ Need4 (2, 0, 1)
且 Request4（2, 0, 0）< Available（2, 3, 3）
试分配后，则 Need4 =(0, 0, 1), Allocation4 =(4, 0, 4)
新的剩余向量 Available = （0, 3, 3）
银行家算法流程图
死锁避免小结
优点
- 比死锁预防限制少。
- 无死锁检测方法中的资源剥夺, 进程重启。
缺点
- 必须事先声明每个进程的最大资源请求。
- 考虑的进程必须是无关的, 也就是说, 它们执行的顺序没有任何同步要求的限制。
- 进程的数量保持固定不变，且分配的资源数目必须是固定的。
死锁的检测和解除
如果在一个系统中，既未采用死锁预防方法，也未采用死锁避免方法，而是直接为进程分配资源，则系统中便有可能发生死锁。
一旦死锁发生，系统应能将其找到并加以消除，为此需提供死锁检测和解除死锁的手段。
检测死锁的基本思想：在操作系统中保存资源的请求和分配信息，利用某种算法对这些信息加以检查，以判断是否存在死锁。
资源分配图
资源分配图又称进程 -资源图，它是描述进程和资源间的申请和分配关系的一种有向图。
圆圈表示进程节点 P，方框表示资源节点 R，方框中的小黑点数表示资源数。
请求边：Pi →Rj 分配边：Pi ←Rj
上图中：r2中有两个资源，分别分配给了p1和p2，然后p1请求r1，而r1中就1个资源，分配给了p2，所以此时p1阻塞，p2请求r3，而r3中的那个资源分配给了p3，所以此时p2也阻塞，r4中的一个资源分配给了p3，所以，待p3运行完毕，释放r3，p2阻塞解除，运行完毕后释放r1，然后p1执行。下面也都同样的分析思路，此处不再详解。
重要结论：如果资源分配图中不存在环路，则系统中不存在死锁；反之，如果资源分配图中存在环路，则系统中可能存在死锁，也可能不存在死锁。
死锁定理
资源分配图的化简方法
1 寻找一个既不阻塞又不孤立的进程结点 Pi，若无则算法结束；
2 去除 Pi 的所有分配边和请求边，使 Pi 成为一个孤立结点；
3 转步骤（1） 。
在进行一系列化简后，若能消去图中所有的边，使所有进程都成为孤立结点，则称该图是可完全简化的；反之，称该图是不可完全简化的。
孤立结点：没有请求边和分配边与之相连。
阻塞结点：有请求边但资源无法满足其要求。
死锁定理:出现死锁状态的充分条件是资源分配图不可完全简化。
死锁的检测
死锁检测算法的思想
死锁检测算法的思想是基于资源分配图化简和死锁定理来检测死锁。
死锁检测的原因
系统没有采取任何预先限制死锁的措施。资源分配时不检查系统是否会进入不安全状态, 被请求的资源都被授予给进程。需要周期性检测是否出现死锁。
检测时机
- 在每个资源请求时都进行（相当于死锁避免） 。
- 定时检测。
- 系统资源利用率下降时检测死锁。
死锁检测中的数据结构类似于银行家算法的数据结构：
死锁检测流程
检测算法练习题
死锁的解除
一旦检测出系统中出现了死锁，就应将陷入死锁的进程从死锁状态中解脱出来，常用的解除死锁方法有两种:
资源剥夺法: 当发现死锁后，从其它进程剥夺足够数量的资源给死锁进程，以解除死锁状态。
- 撤消进程法: 采用强制手段从系统中撤消一个/一部分死锁进程，并剥夺这些进程的资源供其它死锁进程使用。
- 撤消全部死锁进程。
- 按照某种顺序逐个地撤消进程，直至有足够的资源可用，使死锁状态消除为止。
基于最小代价原则一次只终止一个进程直到取消死锁循环为止。
撤消进程选择原则
- 已消耗 CPU 时间最少
- 到目前为止产生的输出量最少
- 预计剩余的时间最长
- 目前为止分配的资源总量最少
- 优先级最低