【经典结构】死锁
死锁
1.概念
一个很通俗易懂的例子：假设有红蓝两把钥匙开红蓝两个门，两个人分别执行六条指令，最后要能够都把两扇门打开。 注意红蓝钥匙都各只有一把，也就是说两个人共享这对钥匙。
比如下面这幅图的解法：
两个人同时执行，A能够顺利把门打开，因为它正好在第3步的时候能拿到B归还后的红钥匙，但是对B就不一样了，因为A没有及时归还蓝钥匙，在最后才想起来还，那B在第四步的时候想要拿到蓝钥匙，需要等A在第6步把蓝钥匙还了才行，也就是得等着A完事以后B才能完事，所以两个人完成时间并不相同(也就是两个线程A先结束，B再结束),但终究还是都完成了。
那再看下面这个解法：
两个人A和B在第三步的时候，A想要获取红钥匙，等着B归还红钥匙；B想要获取蓝钥匙，等着A归还蓝钥匙，那这两个人永远在这卡着，进行不下去了，这就是死锁。
问：什么是死锁？
死锁就是多个线程在运行的时候互相抢夺资源，造成了一种僵持的阻塞状态。比如线程AB分别握着锁a和锁b，但是这时候两个线程又都想获得对方的锁，又谁都不松手，这时候就形成了僵局，成了阻塞状态。
2.条件
上面想开两扇门其实有很多种解法，那什么时候会出现死锁，比如同样的问题解法1就不会死锁，解法2就会死锁。一般来说，死锁有四个必要条件：
问：死锁产生的条件？
- 互斥条件：某资源某一时刻只能被一个线程占用。--只有一对钥匙；
- 请求与保持条件：当一个线程请求新的资源而阻塞后，对已经获得的资源保持不放。 --A拿着红钥匙又想要蓝钥匙，还不归还红钥匙；
- 不剥夺条件：一个线程拿到资源后不能被剥夺，只能由自己释放。 --人除非自己主动归还钥匙，不然就一直占着；
- 环路等待条件：在发生死锁时，必然存在着线程之间头尾相连循环等待资源的关系；比如线程P0等待着P1的资源，P1等待着P2的资源，...，Pn等待着P0的资源。 --拿着红钥匙的A在等蓝钥匙，拿着蓝钥匙的B在等红钥匙；
上面是产生死锁的四个必要条件,那如果想要避免，只需破坏其中一个就可以。
问：如何避免死锁？
- 破坏互斥条件：这个条件没办法进行破坏，因为我们用锁的目的就是想让它们互斥。
- 破坏请求与保持条件：只要有一个资源得不到分配，那也不给这个线程分配其他资源。 --一个人拿到一把钥匙后，只有还了才能去请求下一把；
- 破坏不剥夺条件：当某线程拿着资源，但是得不到其他资源，那就释放自己的资源。 --比如可以设置A拿着钥匙等了十分钟还是执行不了下一步，那就自动归还自己的钥匙；
- 破坏环路等待条件：每类资源都申请一个编号，每个线程按顺序申请资源，按相反顺序释放资源。 --上面产生死锁一定是A和B都先拿了不同的钥匙，比如可以规定任何线程都只能先拿红钥匙再拿蓝钥匙。
问：在实际中采用什么方法解决死锁？
- 银行家算法；
- 顺序加锁：确保线程按照相同的顺序获得锁(上面提到的4)；
- 限时加锁：线程在尝试获取锁的时候加一个超时时间，超过这个时间就放弃该请求，并把自己获得的锁释放(上面提到的3)；
问：银行家算法是什么，具体流程？
一句话概括：当一个进程申请使用资源的时候，银行家算法通过先试探性的分配给该进程资源，然后通过安全性算法判断分配后的系统是否处于安全状态。
四种结构
- 最大需求资源数量Max(例如Max[j]=4,表示当前进程i对资源j的最大需求量为4)；
- 已分配给进程的资源Allocation(例如Allocation[j]=4,表示当前进程i已经分配的资源j数量为4)；
- 还需要的资源数量Need(例如Need[j]=4,表示当前进程i还需要资源j的数量为4)；Need[j]=Max[j]-Allocation[j]
- 空闲资源数量Available(例如Available[j]=4,表示当前资源j的空闲数量为4)；
过程
- 1.假设进程P1申请资源，银行家算法先试探性的分配给他(当然先看看当前资源池中的资源数量够不够)
- if申请的资源数量<=Available(操作系统(银行家))所有的资源,那就执行2；
- if申请的资源数量>Available-->不安全；
- 2.判断分配给P1后剩余的资源，能不能使进程队列中的某个进程执行完毕；
- if有进程可执行完毕，那就执行3；
- if没有进程可执行完毕，那系统处于不安全状态(即此时没有一个进程能够完成并释放资源，随时间推移，系统终将处于死锁)；
- 3.经过2判断后有进程可执行完毕，则假设回收已经分配给它的资源(剩余资源数量增加)，并把这个进程标记为可完成，然后接着判断队列中的其他进程；
- 4.如果所有进程都可执行完毕，那系统就处于安全状态，并根据刚才的顺序生成安全序列(例如{P0,P3,P2,P1}表示将申请后的资源work先分配给P0->回收P0(原work+进程P0已分配的Allocation=新work)->分配给P3->回收P3->...
注意
- 安全状态：如果存在一个由系统中所有进程构成的安全序列，那系统安全状态，安全状态一定没有死锁；
- 不安全状态：不存在一个安全序列。不安全状态不一定死锁；
例子
比如当前出现下述资源分配：
上文一共有4种资源，例如P0 1号资源已经分配的为0；3号资源分配的为3；
问：该状态是否安全？
根据上面的过程可以列出下面的表：
work指的是资源池里可以利用的资源，根据上面的Available，发现其能满足P0的need，然后求出回收P0的新work，接着发现能满足P3，...，就这样不断进行；最后能找到一个序列{P0,P3,P4,P1,P2},所以系统是安全的。
问：if 进程P2提出请求Request(1,1,2,2),系统能分配给它吗？
检查步骤：
- 1.Request2(1,1,2,2)<=Need2(2,3,4,5)
- 2.Request2(1,2,2,2)<=Available(1,6,2,2)
- 3.两者都满足，那就先假设为P2分配资源，然后修改Available，Allocation，Need2；
Available(0,4,0,0)
Allocation2(2,5,7,6)
Need2(1,1,3,4) - 4.这时候再进行检查，Available(0,4,0,0) 谁也满足不了了，系统进入不安全状态，所以不能分配给P2资源。
