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银行家算法

1.死锁的概念

(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,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。

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(2).死锁,饥饿,死循环的 区别

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。比如:在短进程优先(SPF)算法中,若有源源不断的短进程到来,则长进程一直得不到处理机,从而发生长进程“饥饿”。

死循环:某进程执行过程中一直跳不出某个循环的现象。有时是因为程序逻辑BUG导致的,有时是因为程序猿故意设计的。

上面三个问题都是进程无法顺利向前推进的现象(故意设计的死循环除外)。

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生死锁。发生死锁的进程一定处于阻塞态。

饥饿可能是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),也有可能是就绪态(长期得不到处理机)。

死循环可能只有一个进程发生死循环。死循环的进程可以上处理机运行(可以是运行态),只不过无法像期待的那样顺利推进。死锁和饥饿问题是由于操作系统分配资源策略不合理导致的,而死循环是由于代码逻辑的错误导致的。死锁和饥饿是管理者(操作系统)的问题,死循环是被管理者的问题

(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,只要其中任意一条件不成立,死锁就不会发生。

  • 互斥条件:只有对必须互斥使用的资源的争抢彩会导致死锁(如打印机设备)。像内存,扬声器这种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)。
  • 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。
  • 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,此时请求进程被堵塞,但又对自己已有的资源保持不放。
  • 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,发生死锁时一定有循环等待,但是发生循环等待时未必死锁(循环等待是死锁的必要不充分条件)。

如果同类资源的数量大于1,则即使有循环等待,也未必发生死锁。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。

(4)什么时候会发生死锁

1.对系统资源的竟争。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。如生产者一消费者问题中,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。(可以把互斥信号量、同步信号量也看做是一种抽象的系统资源)

  • 总之,对不可剥夺资源的不合理分配,可能导致死锁。
(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).知识回顾

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2.死锁处理的策略

(1)破坏互斥条件

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。

如果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。比如:SPOOLIng技术。 操作系统可以采用SPOOLIng技术把独占设备在逻辑上改造成共享设备。比如,用SPOOLIng技术将打印机改造为共享设备。。。

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SPOOLing技术引入了一个中间进程里管理对互斥资源的访问。输出进程会把对打印机的请求排成队列,在队列里依次完成访问。使用了SPOOLing技术后,在各个进程看来,自己对打印机资源的使用请求立即就被接收处理了,不需要再阻塞等待。

该策略的缺点:并不是所有的资源都可以改造成可共享使用的资源,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

(2)破坏不剥夺条件

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。

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)

该策略的缺点: 1.实现起来比较复杂。 2.释放己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. 反复的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1,意味着只要暂时得不到某个资源,之前获得的那些资源就需要放弃,以后再重新申请。如果一直发生这样的情况,就会导致金饥饿。

(3)破坏请求和保持条件

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。

可以采取静态分配方法,即进程在运行前一次申请完它所需要的全部资源,在它的资源未被满足之前,不让他投入运行。一旦投入运行后,这些资源就一直归他所有,该进程就不会再请求别的任何资源了。

该策略实现起来简单,但也有明显的缺点

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

如:

假设有A类进程,B类进程和C类进程,A类进程需要资源1,B类进程需要资源2,C类进程同时需要资源1和资源2.假设此时一直有源源不断的A类进程或B类进程进入并占有资源,则C类进程会一直得不到需要的资源。

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(4)破坏循环等待条件

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。

可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。

假设系统中共有10个资源,编号为1,2,.....10

P1进程占有1号和3号资源,P2进程占有2号和4号资源,P3进程占有5号和7号资源。在任何一个时刻,总有一个进程拥有的资源编号是最大的,那这个进程申请之后的资源必然畅通无阻。因此,不可能出现所有进程都阻塞的死锁现象。

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该策略的缺点

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。

(5)知识回顾

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3.死锁处理的策略——避免死锁

(1)什么是安全序列

你是一位成功的银行家,手里掌握着100个亿的资金..

有三个企业想找你贷款,分别是企业B、企业A、企业T,为描述方便,简称BAT

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B表示: “大哥,我最多会跟你借70亿..”

A表示: “大哥,我最多会跟你借40亿.

T表示: “大哥,我最多会跟你借50亿…”

然而.江湖中有个不成文的规矩:如果你借给企业的钱总数达不到企业提出的最大要求,那么不管你之前给企业借了多少钱,那些钱都拿不回来了.

刚开始, BAT三个企业分别从你这儿借了20、10、30亿

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最大需求 - 已借走 = 最多还会借

手里还有40亿。此时,B还想借30亿,你敢借吗?假如答应了B的请求……

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手里还剩10亿。只剩下10亿,如果BAT都提出要再借20亿的请求,然么任何一个企业的需求都得不到满足。所以给B借走30亿的资金是不安全的…