# 8. 死锁

[知识脑图](https://lfool.github.io/os_mind/deadlock.html)

## 1. 什么是死锁

在并发环境下，各进程因竞争资源而造成的一种**互相等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，都无法向前推进**的现象

## 2. 死锁 & 饥饿 & 死循环

**死锁：**各进程互相等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，无法向前推进的现象

**饥饿：**由于长期得不到想要的资源，某进程无法向前推进的现象

**死循环：**某进程执行过程中一直跳不出某个循环的现象

|     |                                                区别                                                |
| :-: | :----------------------------------------------------------------------------------------------: |
|  死锁 |        死锁一定是 **循环等待对方手里的资源** 导致的，因此如果有死锁现象，那**至少有两个或两个以上的进程同时发送死锁**。另外，发生死锁的进程一定处于**阻塞态**        |
|  饥饿 |            **可能只有一个进程发生饥饿**。发生饥饿的进程既可能是**阻塞态**（如长期得不到需要的 I/O 设备），也可能是**就绪态**（长期得不到处理机）           |
| 死循环 | **可能只有一个进程发生死循环**，死循环可以上处理机运行（可以是**运行态**），只不过无法像期待的那样顺利推进。死锁、饥饿是由于操作系统的策略不合理导致的，而死循环是由代码逻辑的错误导致的 |

## 3. 死锁产生的四个必要条件

产生死锁必须要同时满足以下四个条件，只要其中一个不满足，死锁就不会产生

* **互斥条件：**只有对必须**互斥**使用的资源的争抢才会导致死锁
* **不可剥夺条件：**进程所获得的资源在未使用完之前，**不能由其他进程强行夺走**，只能主动释放
* **请求和保持条件：**进程**已经保持了至少一个资源**，但是又提出了新的资源**请求**，而该资源又被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但又对自己已有资源保持不放
* **循环等待条件：**存在一种进程**资源的循环等待链**，链中的每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求

**注意：发送死锁时一定有循环等待，但是发送循环等待时未必死锁**

## 4. 发生死锁的时机

1. 对系统资源的竞争。各进程对不可剥夺的资源（如打印机）的竞争可能引起死锁，对可剥夺的资源（CPU）的竞争不会引起死锁
2. 进程推进顺序不合法
3. 信号量的使用不当也会造成死锁

## 5. 死锁的处理策略

1. **预防死锁：**破坏死锁产生的四个必要条件中的一个或几个
2. **避免死锁：**用某种方法防止系统进入不安全状态，从而避免死锁（银行家算法）
3. **死锁的检测和解除：**允许死锁的发生，不过操作系统会负责检测出死锁的发生，然后采取某种措施解除死锁

## 6. 预防死锁

### 6.1 破坏互斥条件

如果**把只能互斥使用的资源改造为允许共享使用的资源**，系统就不会进入死锁状态（SPOOLing 技术）

![](https://824295091-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MEmUhsvIFBb8ar2-Um3%2F-MFBUHRghSmkJBzK4gsp%2F-MFBV96aJpnVKA5iJqrI%2Fimage.png?alt=media\&token=971d06ef-72c2-4e49-829b-cc99072939de)

**缺点：**并不是所有的资源都可以改造为可共享使用的资源。并且为了系统安全，很多地方还必须保护这种互斥性。因此，**很多时候都无法破坏互斥条件**

### 6.2 破坏不可剥夺条件

**破坏不剥夺条件：** 

* **方案一：**当某个进程请求新的资源得不到满足时，它必须立即释放保持的所有资源，待以后需要时再重新申请。也就是说，即使某些资源尚未使用完，也需要主动释放，从而破坏了不可剥夺条件。
* **方案二：**当某个进程需要的资源被其他进程所占有的时候，可以由操作系统协助，将想要的资源强行剥夺。这种方式一般需要考虑各进程的优先级（比如：剥夺调度方式，就是将处理机资源强行剥夺给优先级更高的进程使用）

**缺点：**

1. 实现起来比较复杂
2. 释放已获得的资源可能造成前一阶段工作的失效。因此这种方法一般只适用于易保存和恢复状态的资源，如CPU
3. 反复地申请和释放资源会增加系统开销，降低系统吞吐量
4. 若采用方案一，意味着只要暂时得不到某个资源，之前获得的那些资源就都需要放弃，以后再重新申请。如果一直发生这样的情况，就会导致进程饥饿

### 6.3 破坏请求和保持条件

采用**静态分配方法**，即进程在运行前一次申请完它所需要的全部资源，在它的资源未满足前，不让它投入运行。一旦投入运行后，这些资源就一直归它所有，该进程就不会再请求别的任何资源了

**缺点：**

* 有些资源可能只需要用很短的时间，因此如果进程的整个运行期间都一直保持着所有资源，就会造成严重的资源浪费，**资源利用率极低**。另外，该策略也有**可能导致某些进程饥饿**

### 6.4 破坏循环等待条件

采用**顺序资源分配法**，首先给系统中的资源编号，规定每个进程**必须按编号递增的顺序请求资源**，同类资源（即编号相同的资源）一次申请完

**原理分析：**一个进程只有已占有小编号的资源时，才有资格申请更大编号的资源。按此规则，已持有大编号资源的进程不可能逆向地回来申请小编号的资源，从而就不会产生循环等待的现象

**缺点：**

1. 不方便增加新的设备，因为可能需要重新分配所有的编号；
2. 进程实际使用资源的顺序可能和编号递增顺序不一致，会导致资源浪费；
3. 必须按规定次序申请资源，用户编程麻烦。

## 7. 避免死锁

**安全序列**，就是指如果系统按照这种序列分配资源，则每个进程都能顺利完成。只要能找出一个安全序列，系统就是**安全状态**。当然，**安全序列可能有多个**

如果分配了资源之后，系统中找不出任何-一个安全序列，系统就进入了**不安全状态**。这就意味着之后**可能**所有进程都无法顺利的执行下去。当然，如果有进程提前归还了一些资源，那**系统也有可能重新回到安全状态**，不过我们在分配资源之前总是要考虑到最坏的情况

如果系统处于**安全状态**，就**一定不会**发生**死锁**。如果系统进入**不安全状态**，就**可能**发生**死锁**（处于不安全状态未必就是发生了死锁，但发生死锁时一定是在不安全状态）

因此可以**在资源分配之前预先判断这次分配是否会导致系统进入不安全状态**，以此决定是否答应资源 分配请求。这也是 “**银行家算法**” 的核心思想

## 8. 死锁的检测和解除

### 8.1 死锁的检测

为了能对系统是否已发生了死锁进行检测，必须：

1. 用**某种数据结构**来保存资源的请求和分配信息
2. 提供**一套算法**，利用上述信息来检测系统是否已经进入死锁状态

![](https://824295091-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MEmUhsvIFBb8ar2-Um3%2F-MFBZ18_E1RmFlnNw6y6%2F-MFBZzgjDogtcXKBk4t_%2Fimage.png?alt=media\&token=1dc5ed3f-545f-48e5-8fac-57fbdb96ba50)

**检测死锁的算法：**

1. 在资源分配图中，找出既不阻塞又不是孤点的进程 Pi（即找出一条有向边与它相连，且该有向边对应资源的申请数量小于等于系统中已有空闲资源数量。如下图中，R1 没有空闲资源，R2 有一个空闲资源。若所有的连接该进程的边均满足上述条件，则这个进程能继续运行直至完成，然后释放它所占有的所有资源）。消去它所有的请求边和分配变，使之称为孤立的结点。在下图中，P1 是满足这一条件的进程结点，于是将 P1 的所有边消去
2. 进程 Pi 所释放的资源，可以唤醒某些因等待这些资源而阻塞的进程，原来的阻塞进程可能变为非阻塞进程。在下图中，P2 就满足这样的条件。根据 1 中的方法进行一系列简化后，若能消去途中所有的边，则称该图是**可完全简化的**

**死锁定理：**如果某时刻系统的资源分配图是**不可完全化简**的，那么此时系统**死锁**

### 8.2 死锁的解除

1. **资源剥夺法：**挂起（暂时放到外存上）某些死锁进程，并抢占它的资源，将这些资源分配给其他的死锁进程。但是应防止被挂起的进程长时间得不到资源而饥饿
2. **撤销进程法（或称终止进程法）：**强制撤销部分、甚至全部死锁进程，并剥夺这些进程的资源。这种方式的优点是实现简单，但所付出的代价可能会很大。因为有些进程可能已经运行了很长时间，已经接近结束了，一旦被终止可谓功亏一篑，以后还得从头再来
3. **进程回退法：**让一个或多个死锁进程回退到足以避免死锁的地步。这就要求系统要记录进程的历史信息，设置还原点