OS chapter 2 Deadlock and starvation

产生死锁与互斥的原因；

解决死锁；

死锁与同步的经典问题：哲学家进餐问题

 

 原因：因为进程间的竞争资源或通信不当，造成进程的永久信阻塞；

没有有效的解决方法；

可能会有单进程的死锁；

/* P */
get A;
...
get B;
...
release A;
...
release B;

/* Q */
get B;
...
get A;
...
release B;
...
release A;
// 可能会出现死锁

可重用资源：处理器、I/O通道、主存、辅存等

进程占有一个资源请求其它资源就可能会出现死锁；

可消耗资源：中断、消息等

如两个进程都是采用阻塞接收消息，且两个进程分别要接收对方的消息，则可能出现阻塞；

 

产生死锁的原因

• 互斥使用
• 占有并等待
• 不剥夺
• 环路等待

 

死锁的预防

以四个条件为考虑，分析是一个问题，但工程来说是不可用，降低了系统的性能；

间接方法

• 互斥：不能禁止；
• 保持与等待：要求进程一次性申请其所需资源，若系统中没有足够的资源可能造成进程阻塞，使得系统效率低；
• 不剥夺：高优先权剥夺低优先权进程对资源的使用权；
• 环路等待：

直接方法

• 禁止环路等待：对系统资源类型进行排队，进程对某类资源的申请只能按序号递增的方式进行；

 

避免死锁 Deadlock Avoidance

在为进程分配资源之前，首先通过计算判断此次分配是否分导致死锁，只有不导致死锁的分配才是可行的。

 

银行家算法

安全状态：系统为某个进程序列分配其所需的资源直到最大需求，使得每个进程都可以顺序完成则系统称为安全状态；

通过需求矩阵、已分配矩阵、可用资源矩阵、还要的资源矩阵，即可知道按什么顺序执行进程不会进入不安全状态；

为了实现银行家算法，系统中必须实现某些数据结构；

数据结构

• 资源可以向量
• 最大需求矩阵n*m
• 分配矩阵n*m
• 还需矩阵n*m 

特点：

• 必须预先知道每个进程需要的资源总量
• 每次都要算，对系统性能损耗大
• 进程必须释放资源，这个不一定

 

检测死锁 Deadlock Detection

周期性的执行死锁检测，看系统中是否有环路等待；

 

哲学家进餐问题

要求：使所有哲学家都能进餐，且不会有人出现饥饿；

/* 会造成死锁的算法 */
semaphore fork[5] = {1,1,1,1,1};  /* 筷子信号量初始化为1 */
int i;
while(1)
{
    think;
    wait(fork[i]); /*拿起左边的筷子 */
    wait(fork[(i+1)%5]); /*拿起右边的筷子 */
    eat;
    signal(fork[(i+1)%5]);
    signal(fork[i]);
}

 

上面这个算法会造成死锁，因为如果5个哲学家都运行到7的时候被中断，则会死锁；

原因是系统中同时运行的进程太多了，系统处于高竞争状态；所以可以考虑减少同时运行的进程数，即挂起一定数量的进程；

/* 改进的算法 */
semaphore fork[5] = {1,1,1,1,1};  /* 筷子信号量初始化为1 */
int i;
semaphore room = 4; /* 信号量初始化为4，最多允许4个哲学家同时进来 */
while(1)
{
    think;
    wait(room); /* 当room<=0则挂起 */
    wait(fork[i]); /*拿起左边的筷子 */
    wait(fork[(i+1)%5]); /*拿起右边的筷子 */
    eat;
    signal(fork[(i+1)%5]);
    signal(fork[i]);
    signal(room); /* 唤醒队列中的哲学家 */
}