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一、死锁的概念

1.1 死锁的定义

  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，导致各进程都阻塞待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，都无法向前推进，都无法向前推进的现象，就是死锁。发生死锁后若无外力干涉，这些进程都将无法向前推进。

1.2 死锁、饥饿、死循环的区别

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1.3 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。

① 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（如哲学家的筷子、打印机设备）。像内存、扬声器这样可以同时让多个进程使用的资源是不会导致死锁的（因为进程不用阻塞等待这种资源）。
② 不剥夺条件：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。
③ 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，而该资源又被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但又对自己已有的资源保持不放。
④ 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：发生死锁时一定有循环等待，但是发生循环等待时未必死锁，即 循环等待是死锁的必要不充分条件。

  如果同类资源数大于1，则即使有循环等待，也未必发生死锁（如上图 Pn 可以同时请求 P1 或者 Pk 的资源，得到 Pk 资源后，不会发生死锁）。 但如果系统中每类资源都只有一个，那循环等待就是死锁的充分必要条件了。

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1.4 死锁发生的时机

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）的竞争是不会引起死锁的。
2. 进程推进顺序非法。 请求和释放资源的顺序不当，也同样会导致死锁。例如，并发执行的进程P1、P2 分别申请并占有了资源 R1、R2，之后进程P1又紧接着申请资源R2，而进程P2又申请资源R1，两者会因为申请的资源被对方占有而阻塞，从而发生死锁。
3. 信号量的使用不当也会造成死锁。 如生产者-消费者问题中，如果实现互斥的P操作在实现同步的P操作之前，就有可能导致死锁。

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二、死锁的处理策略

死锁的处理策略有三种：死锁预防、避免死锁和死锁的检测和解除。
其中，死锁预防、死锁避免 两种策略 不允许死锁发生，死锁的检测和解除 策略 允许死锁发生。

2.1 死锁预防

死锁的产生必须满足四个必要条件，只要其中一个或者几个条件不满足，死锁不会发生。

1. 破坏互斥条件
   把只能互斥使用的资源改造为允许共享使用，则系统不会进入死锁状态。如: SPOOLing技术。使用 SPOOLing 技术可以把 独占设备在逻辑上改造成共享设备。

   策略的缺点： 不是所有的资源都可以改造成可共享使用的资源。并且互斥性对于系统安全很重要。因此，很多时候都无法破坏互斥条件。

2. 破坏不剥夺条件
   提供两种方案：① 申请资源得不到时，主动释放所占有资源。② 申请资源被其他进程占用时，由 OS 协助剥夺。

   策略的缺点： 实现起来比较复杂； 释放已获得的资源可能造成前一阶段工作的失效；反复地申请和释放资源会增加系统开销，降低系统吞吐量；方案 ① 可能导致进程饥饿。

3. 破坏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。

   策略的缺点： 进程在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。

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，要求进程只能按编号递增顺序请求资源。

   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(类比拓扑排序)。
   策略的缺点： 不方便增加新的设备，因为可能需要重新分配所有的编号；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；必须按规定次序申请资源，用户编程麻烦。
   
   

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2.2 死锁避免

死锁的避免是在资源动态分配过程中，防止系统进入不安全状态，以避免发生死锁。

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2.2.1 系统安全状态

  系统在资源分配之前，应 先计算 此次分配的安全性，若此次分配不会导致系统进入 不安全状态，则允许分配，否则让系统等待。安全状态 是指系统能按某种进程的 推进顺序 为每个进程 Pi 分配其所需的资源，使每个进程都可顺序完成。所谓的推进顺序就是安全序列。

简而言之：观察系统是否存在安全序列。如果存在，系统则处于安全状态；如果不存在系统则处于不安全状态。

安全序列的计算方法：
  已知现有三个进程的资源分配表如下(可用代表系统还剩有 3 个资源)，现假设可用资源每次分配都是全部分配，并且分配给进程的资源总数应满足进程最多还需求的资源数目(如：可用资源有 3 个，由于 P2 进程还需要 2 个资源，因此只能满足 P2)，分配完后回收该进程所拥有的全部资源。

计算步骤如下：

因此得到安全序列是 {P2, P1, P3}。

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如果计算到 P3 时，可用资源无法满足 P3 的最大需求，即还需要的资源数目多于可用资源数目，那么就不存在安全序列。

注：死锁状态一定是不安全状态，不安全状态不一定是死锁状态，即：死锁状态 ⇒ 不安全状态。
如：A 进程需 10 个资源，而可用资源有 5 个。若 A 还未提出申请，则不会进入死锁状态。
系统进入不安全状态后，便可能进入死锁状态；反之，只要系统处于安全状态，系统变可避免进入死锁。

当系统处于安全状态时，系统中一定无死锁。(✓)
当系统处于不安全状态时，系统一定会出现死锁进程。(×)
(来源：2013年408真题)

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2.2.2 银行家算法

核心思想： 在分配资源前，预先判断这次分配是否会导致系统进入不安全状态，以此来决定是否答应资源分配请求，从而使得系统避免死锁。

• 数据结构描述：
  ① 可利用资源向量 $Available$（一维数据）、② 最大需求矩阵 $Max$、③ 分配矩阵 $Allocation$、④ 需求矩阵 $Need$
  以上三个矩阵间存在的关系： $Need=Max-Allocation$

  
  注：$Available(A,B,C)=(3,3,2)$ 代表可用的 A 类资源数目有 3 个，B 类资源数目有3个，C 类资源数目有 2 个。

• 银行家算法描述（只需看蓝字）：

  设 $Reques{t}_i$ 是进程 $Pi$ 的请求向量，$Reques{t}_i[j]=K$ 表示进程 $Pi$ 需要 $j$ 类资源 $K$个。
  ① 若 $Reques{t}_i[j]\le Need[i,j]$，检查此次申请是否超过最多还需求数。
  ② 若 $Reques{t}_i[j]\le Available[j]$，检查系统的可用资源是否还能满足此次需求。
  ③ 系统 试探着 把资源分配给 $Pi$，并修改下面数据结构的数值：
  $Available=Available-Reques{t}_i$，修改 i 进程剩余可用资源数
  $Allocation[i,j]=Allocation[i,j]+Reques{t}_i[j]$，i 进程已分配资源数加上本次请求资源数
  $Need[i,j]=Need[i,j]-Reques{t}_i[j]$，i 进程还需的资源数减去本次请求的资源数
  ④ 执行安全性算法，检查系统是否处于安全状态，即检查当前系统是否存在安全序列。
  若系统安全，才正式将资源分配给 $Pi$；否则此次试探分配作废，恢复原来分配状态。
  注：安全性算法是银行家算法的核心。

• 安全性算法描述：

  设置工作向量 $Work$，表示系统中剩余可用资源数目。算法执行开始时，$Work=Available$。
  ① 初始时安全序列为空。
  ② 检查当前的剩余资源是否能满足某个进程的最大需求。如果可以就将它加入安全序列；若找不到执行步骤 ④
  ③ 把该进程持有资源全部回收，返回步骤 ②
  ④ 若此时安全序列中已有所有进程，则系统处于安全状态，否则处于不安全状态。

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2.2.3 典型例题

假设当前系统中资源分配和剩余情况如下表所示，现 $P_1$ 发出请求向量 $Reques{t}_1(1,0,2)$，判断此次请求是否分配成功。

① 系统按银行家算法进行检查：

$Reques{t}_1(1,0,2)\le Nee{d}_1(1,2,2)，Reques{t}_1(1,0,2)\le Available(3,2,2)$
此次申请未超过P1进程最多还需求数，并且当前可用资源数可满足此次申请，则可试探的为P1分配资源，并修改：
$Available=Available-Reques{t}_1=(2,3,0)$
$Allocatio{n}_1=Allocatio{n}_1+Reques{t}_1=(3,0,2)$
$Nee{d}_1=Nee{d}_1-Reques{t}_1=(0,2,0)$

② 系统执行安全性算法检查安全状态：

令 $Work=Available=(2,3,0)$，执行安全性算法，如下表所示：

由安全性检查而知，可以找到一个安全序列 { P1, P3, P4, P2, P0 }，因此系统是安全的，可以将P1所申请的资源分配给他。

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2.3 死锁的检测和解除

如果系统既不采取预防死锁的措施，也不采取避免死锁的措施，系统就很可能发生死锁。在这种情况下，系统应当提供死锁检测和解除的手段。

2.3.1 资源分配图

  系统死锁可利用 资源分配图 来描述。圆代表一个进程，框代表一类资源，框中一个圆代表一类资源中的一个资源。从进程到资源的有向边称为请求边，表示进程想申请几个资源，每条边代表一个。从资源到进程的边称为分配边，表示已经为进程分配了几个资源，每条边代表一个。

如上图，进程 P1 已经分得了两个 R1 资源，并又请求了一个 R2 资源；进程 P2 分得了一个 R1 资源和一个 R2资源，并又请求了一个 R1 资源。

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2.3.2 死锁定理

简化资源分配图可检测系统状态是否为死锁状态。简化方法如下：

① 在资源分配图中，找出 既不阻塞又不是孤点的进程 Pi。

• 不阻塞：表示进程申请的资源可以被满足，如 P1 进程。由于 R2 资源除分配给 P2 进程一个资源外，还剩有一个资源，因此 P1 进程申请的 R2 资源可以被满足。相反，P2 进程申请 R1 资源则不会被满足，由于 R1 资源全部被分配完。
• 不是孤点：表示与该进程节点至少一个边相连。

② 消去进程所有的请求边和分配变，使之称为孤点。
 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。

重复以上步骤，若能消去图中所有的边，则称该图是可完全简化的。

注：并不是系统中所有的进程都是死锁状态，用死锁检测算法 化简资源分配图后，还连着边的那些进程就是死锁进程。

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2.3.3 死锁解除

一旦检测出死锁的发生，就应该立即解除死锁。解除死锁的主要方法有：

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
   又称终止进程法，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。撤销的原则可以按进程优先级和撤销进程代价的高低进行。
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。进程回退时，自愿释放资源而非剥夺。这就要求系统要记录进程的历史信息，设置还原点。

注：撤销进程法中参考的优先级，应考虑：进程优先级、已执行多长时间、还要多久能完成、进程已经使用了多少资源、进程是交互式的还是批处理式的等因素。

死锁的避免方法需要进程运行所需资源的总量信息，而死锁的检测方法不需要。(✓)
解析：死锁的避免应用银行家算法，需要资源的使用情况等信息。而应用死锁定理检测死锁，只需通过资源分配图化简情况来检测死锁，不需要资源的总量信息(资源分配图中包含进程使用资源的情况)。
(来源：2015年408真题)


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2.4 补充：常见题型

2.4.1 资源数已知，进程数未知

注：可能发生死锁参考上文，如：A 进程需 10 个资源，而可用资源有 5 个。若 A 还未提出申请，则不会进入死锁状态。

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例1： 某系统中共有 11 台磁带机，X 个进程共享此磁带机设备，每个进程最多请求使用 3 台，则系统必然不会死锁的最大 X 值是( B )。
   A.4    B.5    C.6    D.7
解析：每个进程分配 2 台设备后还剩 1 个资源，则至少有一个进程可执行，一定不会死锁。因此系统只要满足：2X+1 ≤ 11 这个条件就不会发生死锁，求得 X=5。假设 6 个进程的分配情况是：2 2 2 2 2 1，则可能发生死锁。

例2：【来源：2009年408真题】某计算机系统中有 8 台打印机，由 K 个进程竞争使用，每个进程最多需要 3 台打印机。该系统可能会发生死锁的 K 的最小值是( C )。
   A.2    B.3    C.4    D.5
解析： 同上，当每个进程分配 2 台打印机后，还剩 1 个资源，则系统一定不会死锁，即 2K+1 ≤ 8 这个条件就不会发生死锁。解得系统不会死锁的 K 的最大值为 3，因此系统可能死锁的最小值等于 3 + 1 = 4。

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2.4.1 进程数已知，资源数未知

例3： 某系统中有三个并发进程都需要四个同类资源，则该系统必然不会发生死锁的最少资源是( B )
   A.9    B.10     C.11    D.12
解析： N 个进程，每个进程需要 K 个资源，最大发生死锁的资源数：N×(K-1)，不发生死锁的最少资源数：N×(K-1)+1。因此，不会发生死锁的最少资源是：3×(4-1)+1 = 10。

例4：【来源：2014年408真题】某系统有n台互斥使用的同类设备，三个并发进程分别需要3、4、5台设备，可确保系统不发生死锁的设备数n最小为( B )
   A.9    B.10     C.11    D.12
解析：当三个进程被分配 2、3、4 个资源，还剩一个资源时，系统一定不会发生死锁。因此，不发生死锁的设备数最小为 2+3+4+1 = 10

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注：以上两种类型的考题的关键在于 找到临界条件。