C++面试总结之操作系统(三):死锁

死锁、死锁 产生的条件、怎么处理死锁、怎么预防死锁

死锁:在两个或者多个并发进程中,如果每个进程持有某种资源而又等待其它进程释放它或它们现在保持着的资源,在未改变这种状态之前都不能向前推进,称这一组进程产生了死锁。通俗的讲就是两个或多个进程无限期的阻塞、相互等待的一种状态。

1. 产生死锁的原因主要:

(1) 因为系统资源不足。
(2) 进程运行推进的顺序不合适。
(3) 资源分配不当等。

2. 死锁的必要条件: 

(1)互斥条件:一个资源一次只能被一个进程使用
(2)请求与保持条件:一个进程因请求资源而阻塞时,对已获得资源保持不放
(3)不剥夺条件:进程获得的资源,在未完全使用完之前,不能强行剥夺
(4)循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的环形等待资源关系 

3. 解决死锁的方法分为死锁的预防,避免,检测与恢复三种,当然还一种是忽略该问题例如鸵鸟算法,该算法可以应用在极少发生死锁的情况下。

(1)死锁的预防(静态)

    死锁的预防是保证系统不进入死锁状态的一种策略。它的基本思想是要求进程申请资源时遵循某种协议,从而打破产生死锁的四个必要条件中的一个或几个,保证系统不会进入死锁状态。

〈1〉破坏互斥条件。即允许进程同时访问某些资源。但是,有的资源是不允许被同时访问的,像打印机等等,这是由资源本身的属性所决定的。所以,这种办法并无实用价值。

〈2〉破坏不可剥夺条件。即允许进程强行从占有者那里夺取某些资源。就是说,当一个进程已占有了某些资源,它又申请新的资源,但不能立即被满足时,它必须释放所占有的全部资源,以后再重新申请。它所释放的资源可以分配给其它进程。这种预防死锁的方法实现起来困难,会降低系统性能。    

〈3〉破坏请求与保持条件。可以实行资源预先分配策略。即进程在运行前一次性地向系统申请它所需要的全部资源。如果某个进程所需的全部资源得不到满足,则不分配任何资源,此进程暂不运行。只有当系统能够满足当前进程的全部资源需求时,才一次性地将所申请的资源全部分配给该进程。由于运行的进程已占有了它所需的全部资源,所以不会发生占有资源又申请资源的现象,因此不会发生死锁。但是,这种策略也有如下缺点:

A. 在许多情况下,一个进程在执行之前不可能知道它所需要的全部资源。这是由于进程在执行时是动态的,不可预测的;

B. 资源利用率低。无论所分资源何时用到,一个进程只有在占有所需的全部资源后才能执行。即使有些资源最后才被该进程用到一次,但该进程在生存期间却一直占有它们,造成长期占着不用的状况。这显然是一种极大的资源浪费;

C. 降低了进程的并发性。因为资源有限,又加上存在浪费,能分配到所需全部资源的进程个数就必然少了。    

< 4 >破坏循环等待条件,实行资源有序分配策略。采用这种策略,即把资源事先分类编号,按号分配,使进程在申请,占用资源时不会形成环路。所有进程对资源的请求必须严格按资源序号递增的顺序提出。进程占用了小号资源,才能申请大号资源,就不会产生环路,从而预防了死锁。这种策略与前面的策略相比,资源的利用率和系统吞吐量都有很大提高,但是也存在以下缺点:

A. 限制了进程对资源的请求,同时给系统中所有资源合理编号也是件困难事,并增加了系统开销;

B. 为了遵循按编号申请的次序,暂不使用的资源也需要提前申请,从而增加了进程对资源的占用时间。

  (2)死锁的避免(动态)

死锁的避免,它不限制进程有关申请资源的命令,而是对进程所发出的每一个申请资源命令加以动态地检查,并根据检查结果决定是否进行资源分配。

<1>安全序列

    我们首先引入安全序列的定义:所谓系统是安全的,是指系统中的所有进程能够按照某一种次序分配资源,并且依次地运行完毕,这种进程序列{P1,P2,...,Pn}就是安全序列。

虽然存在安全序列时一定不会有死锁发生,但是系统进入不安全状态(四个死锁的必要条件同时发生)也未必会产生死锁。当然,产生死锁后,系统一定处于不安全状态。  

<2>银行家算法Dijstra

 优点:

银行家算法允许死锁必要条件中的互斥条件,占有且申请条件,不可抢占条件的存在,这样,它与预防死锁的几种方法相比较,限制条件少了,资源利用程度提高了。

 缺点:

   〈1〉这个算法要求客户数保持固定不变,这在多道程序系统中是难以做到的。   

   〈2〉这个算法保证所有客户在有限的时间内得到满足,但实时客户要求快速响应,所以要考虑这个因素。  

   〈3〉由于要寻找一个安全序列,实际上增加了系统的开销 

(3)死锁检测与恢复(实际中使用,资源分配图)

常利用资源分配图(进行死锁的检验)、进程等待图来协助这种检测。系统设有专门的机构,当死锁发生时,该机构能够检测到死锁发生的位置和原因,并能通过外力破坏死锁发生的必要条件,从而使得并发进程从死锁状态中恢复出来。 

   〈1〉重新启动,不过这种方法代价很大。

   〈2〉撤消进程,剥夺资源。终止参与死锁的进程,收回它们占有的资源,从而解除死锁。这时又分两种情况:一次性撤消参与死锁的全部进程,剥夺全部资源;或者逐步撤消参与死锁的进程,逐步收回死锁进程占有的资源。一般来说,选择逐步撤消的进程时要按照一定的原则进行,目的是撤消那些代价最小的进程,比如按进程的优先级确定进程的代价;考虑进程运行时的代价和与此进程相关的外部作业的代价等因素。 

 〈3〉进程回退策略(检查点),即让参与死锁的进程回退到没有发生死锁前某一点处,并由此点处继续执行,以求再次执行时不再发生死锁。虽然这是个较理想的办法,但是操作起来系统开销极大,要有堆栈这样的机构记录进程的每一步变化,以便今后的回退,有时这是无法做到的。

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