第十二讲 同步与互斥

死锁问题

• 桥梁只能单向通行
• 桥的每个部分可视为一个资源
• 可能出现死锁
  • 对向行驶车辆在桥上相遇
  • 解决方法：一个方向的车辆倒退(资源抢占和回退)

死锁问题

• 桥梁只能单向通行
• 桥的每个部分可视为一个资源
• 可能发生饥饿
  • 由于一个方向的持续车流，另一个方向的车辆无法通过桥梁

死锁问题

由于竞争资源或者通信关系，两个或更多线程在执行中出现，永远相互等待只能由其他进程引发的事件

死锁问题 -- 资源

• 资源类型$R_1, R_2, . . .,R_m$
  • CPU执行时间、内存空间、I/O设备等
• 每类资源$R_i$有$W_i$个实例
• 线/进程访问资源的流程
  • 请求：申请空闲资源
  • 使用：占用资源
  • 释放：资源状态由占用变成空闲
    

死锁问题 -- 资源

资源分类

• 可重用资源（Reusable Resource）
  • 任何时刻只能有一个线/进程使用资源
  • 资源被释放后，其他线/进程可重用
  • 可重用资源示例
    • 硬件：处理器、内存、设备等
    • 软件：文件、数据库和信号量等
  • 可能出现死锁：每个进程占用一部分资源并请求其它资源

死锁问题 -- 资源

资源分类

• 可消耗资源(Consumable resource)
  • 资源可被销毁
  • 可消耗资源示例
    • 在I/O缓冲区的中断、信号、消息等
  • 可能出现死锁：进程间相互等待接收对方的消息
    

死锁问题 -- 资源分配图

描述资源和进程间的分配和占用关系的有向图

• 顶点：系统中的进程
  • $P = \{ P_1, P_2, …, P_n \}$
• 顶点：系统中的资源
  • $R = \{R_1, R_2, …, P_m\}$
• 边：资源请求
  • 进程$P_i$请求资源$R_j: P_i \rightarrow R_j$
• 边：资源分配
  • 资源$R_j$已分配给进程$P_i：R_j \rightarrow P_i$
    

死锁问题 -- 资源分配图

是否有死锁？

死锁问题 -- 必要条件

• 互斥
  • 任何时刻只能有一个进/线程使用一个资源实例
• 持有并等待
  • 进/线程保持至少一个资源，并正在等待获取其他进程持有的资源
• 非抢占
  • 资源只能在进程使用后自愿释放
• 循环等待
  • 存在等待进程集合$\{P_0，P_1，...，P_N\}$
  • 进程间形成相互等待资源的环

死锁问题 -- 处理办法

• 死锁预防(Deadlock Prevention)
  • 确保系统永远不会进入死锁状态
• 死锁避免(Deadlock Avoidance)
  • 在使用前进行判断，只允许不会出现死锁的进程请求资源
• 死锁检测和恢复(Deadlock Detection & Recovery)
  • 在检测到运行系统进入死锁状态后，进行恢复
• 由应用进程处理死锁
  • 通常操作系统忽略死锁
    • 大多数操作系统（包括UNIX）的做法

死锁问题 - 处理办法 -- 预防

预防采用某种策略限制并发进程对资源的请求，或破坏死锁必要条件。

• 破坏“互斥”
  • 把互斥的共享资源封装成可同时访问，例如用SPOOLing技术将打印机改造为共享设备；
  • 缺点：但是很多时候都无法破坏互斥条件。
• 破坏“持有并等待“
  • 只在能够同时获得所有需要资源时，才执行分配操作
  • 缺点：资源利用率低

死锁问题 - 处理办法 -- 预防

预防采用某种策略限制并发进程对资源的请求，或破坏死锁必要条件。

• 破坏“非抢占”
  • 如进程请求不能立即分配的资源，则释放已占有资源
  • 申请的资源被其他进程占用时，由OS协助剥夺
  • 缺点：反复地申请和释放资源会增加系统开销，降低系统吞吐量。
• 破坏“循环等待“
  • 对资源排序，要求进程按顺序请求资源
  • 缺点：必须按规定次序申请资源，用户编程麻烦
  • 缺点：难以支持资源变化（例如新资源）

死锁问题 - 处理办法 -- 避免

利用额外的先验信息，在分配资源时判断是否会出现死锁，只在不会死锁时分配资源

• 要求进程声明需要资源的最大数目
• 限定提供与分配的资源数量，确保满足进程的最大需求
• 动态检查的资源分配状态，确保不会出现环形等待

死锁问题 - 处理办法 -- 避免

资源分配中，系统处于安全状态

• 针对所有已占用进程，存在安全执行序列$<P_1，P_2，...，P_N>$
• $P_i$要求的资源 $\le$ 当前可用资源 $+$ 所有$P_j$ 持有资源，其中$j<i$
• 如$P_i$的资源请求不能立即分配，则$P_i$等待所有$P_j (j<i)$完成
• $P_i$完成后，$P_{i+1}$可得到所需资源，执行完并释放所分配的资源
• 最终整个序列的所有Pi都能获得所需资源

死锁问题 - 处理办法 -- 避免

安全状态与死锁的关系

• 系统处于安全状态，一定没有死锁
• 系统处于不安全状态，可能出现死锁
  • 避免死锁就是确保系统不会进入不安全状态

死锁问题 - 处理办法 -- 避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 概述

• 银行家算法是一个避免死锁产生的算法。以银行借贷分配策略为基础，判断并保证系统处于安全状态
  • 客户在第一次申请贷款时，声明所需最大资金量，在满足所有贷款要求并完成项目时，及时归还
  • 在客户贷款数量不超过银行拥有的最大值时，银行家尽量满足客户需要

银行家 $\leftrightarrow$操作系统；资金 $\leftrightarrow$资源；客户 $\leftrightarrow$线/进程

死锁问题 - 处理办法 -- 避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 数据结构

死锁问题 - 处理办法 -- 避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 判断安全状态的例程

死锁问题 - 处理办法 -- 避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 完整算法

死锁问题 - 处理办法 -- 避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 示例1

死锁问题 - 处理办法 -- 避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 示例1

死锁问题 - 处理办法 -- 避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 示例1

死锁问题 - 处理办法 -- 避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 示例1

死锁问题 - 处理办法 -- 避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 示例2

死锁问题 - 处理办法 -- 避免

银行家算法（Banker's Algorithm）-- 示例2

死锁问题 - 处理办法 -- 检测

• 允许系统进入死锁状态
• 维护系统的资源分配图
• 定期调用死锁检测算法来搜索图中是否存在死锁
• 出现死锁时，用死锁恢复机制进行恢复
  

死锁问题 - 处理办法 -- 检测

死锁检测算法：数据结构

• Available:长度为m的向量：每种类型可用资源的数量
• Allocation:一个n×m矩阵：当前分配给各个进程每种类型资源的数量
  • 进程$P_i$ 拥有资源$R_j$的$Allocation[i, j]$个实例

死锁问题 - 处理办法 -- 检测

死锁检测算法：完整算法

死锁问题 - 处理办法 -- 检测

死锁检测算法：-- 示例1

死锁问题 - 处理办法 -- 检测

死锁检测算法：-- 示例1

死锁问题 - 处理办法 -- 检测

死锁检测算法：-- 示例1

死锁问题 - 处理办法 -- 检测

死锁检测算法：-- 示例1

死锁问题 - 处理办法 -- 检测

死锁检测算法：-- 示例1

死锁问题 - 处理办法 -- 检测

死锁检测算法：-- 示例1

序列$<T_0, T_2, T_1, T_3, T_4>$ 对于所有的i，都可满足Finish[i] = true

死锁问题 - 处理办法 -- 检测

死锁检测算法：-- 示例2

可通过回收线程$T_0$占用的资源，但资源不足以完成其他线程请求
线程$T_1, T_2, T_3, T_4$形成死锁

死锁问题 - 处理办法 -- 检测

使用死锁检测算法

• 死锁检测的时间和周期选择依据
  • 死锁多久可能会发生
  • 多少进/线程需要被回滚
• 资源图可能有多个循环
  • 难于分辨“造成”死锁的关键进/线程

检测到死锁后，应该如何处理？

死锁问题 - 处理办法 -- 恢复 -- 进程终止

• 终止所有的死锁进程
• 一次只终止一个进程直到死锁消除
• 终止进程的顺序的参考因素：
  • 进程的优先级
  • 进程已运行时间以及还需运行时间
  • 进程已占用资源
  • 进程完成需要的资源
  • 终止进程数目
  • 进程是交互还是批处理

死锁问题 - 处理办法 -- 恢复 -- 资源抢占

• 选择被抢占进程
  • 参考因素：最小成本目标
• 进程回退
  • 返回到一些安全状态, 重启进程到安全状态
• 可能出现饥饿
  • 同一进程可能一直被选作被抢占者