3.4 Deadlock Prevention死锁预防

破坏Coffman/Havender的四个条件中的任意一个。

3.4.1 Attacking the Mutual Exclusion Condition破坏互斥条件

假设一个资源并不会被一个进程独占，那么就根本不会存在死锁的产生，但是两个进程共同持有同一个资源会产生混乱，如两个进程共同控制打印机。但是如果我们采用假脱机（Spooling）技术可以支持若干个进程同时产生输出。例如：打印机假脱机模型中真正使用物理打印机的实际上是打印机守护进程，由于守护进程绝对不会去请求别的资源，所以不会因打印机产生死锁。但是对很多种的资源这种方式并不适用。

3.4.2 Attack the Hold and Wait Condition破坏持有并等待条件

要求每个进程在开始时就请求其运行时所需要的所有资源，这通常被称之为One Shot。一个进程需要运行前系统会给这个进程分配满足它运行的所有资源，那么这个进程一定可以顺利运行完毕，如果当前系统中的资源不能满足该进程则不进行资源分配，让进程等待资源。问题是：很多进程在运行前我们根本不知道它会用到哪些资源，并且一个更大的潜在问题是这个方式对系统资源的使用效率是达不到最优的。

另一种方案是当一个进程请求资源时，先暂时释放其当前占用的所有资源，然后再尝试一次获得所需的全部资源。

3.4.3 Attacking the No Preemption Condition破坏不允许抢占条件

通常是不可能的。也就是说，一些资源本质上是可抢占的（例如内存和CPU），对于这些资源来说，产生死锁不是问题（产生竞争状态是可以被解决的）。其他资源是不可抢占的，例如机器人手臂，通常不可能找到抢占这些资源的方法。一个现代的例外情况，我们不详细阐述，是资源（例如CD-ROM驱动器）是否可以虚拟化（召回管理程序）。

3.4.4 Attacking the Circular Wait Condition破坏循环等待条件

破坏循环等待有几种方法，其中第一种是保证每一个进程在任何时刻都只能占用一个资源，如果要去请求另一个资源就必须先释放当前拥有的这个资源，显然大多数情况下是不可接受的。

另一种方式是将所有的资源统一编号固定顺序，并要求按此顺序请求资源。此时所有的进程都可以在任何时刻提出资源请求，但是所有的请求必须按资源编号的顺序升序提出，因此，如果一个进程持有资源#34和#54，它只能请求资源#55和更高的资源。比如#34是打印机，#54是绘图仪，那么进程A和B都只能先请求打印机再请求绘图仪，也就不会发生死锁，很容易看出，循环已经不可能了。

Homework 16

10. Consider Figure 6-4. Suppose that in step (o) C requested S instead of requesting R. Would this lead to deadlock? Suppose that it requested both S and R.

 

 

A: 请求R；请求S；释放R；释放S； B：请求S；请求T；释放S；释放T； C：请求T；请求R；请求S；释放T；释放R；释放S

3.5 Deadlock Avoidance死锁避免

让我们看看，即使我们的系统允许死锁的所有四个必要条件，我们是否能够小心翼翼地通过一片郁金香田并避免死锁状态。乐观的资源管理器会尽可能快地批准每个请求。在这四种情况都存在的情况下，要避免死锁，管理者必须聪明，而不仅仅是乐观。

3.5.1 Resource Trajectories资源轨迹图

在本节中，我们假设预先了解整个进程的资源请求和释放流程，因此，我们并没有提出一个切实可行的解决方案。我相信，这篇文章可以激励我们提出更接近实际的解决方案——银行家算法。下图描述了两个进程Hor（水平）和Ver（垂直）执行右边显示的程序。

Hor           Ver   <reg code>    <reg code>   P(print)      P(plot)   <reg code>    <reg code>   P(plot)       P(print)   <reg code>    <reg code>   V(print)      V(plot)   <reg code>    <reg code>   V(plot)       V(print)   <reg code>    <reg code>

我们把每个进程的进度画在坐标轴上。在我们下面右边展示的例子中，有两个进程，因此有两个轴。我们在水平轴（即X轴）上绘制Hor的进度，在垂直轴上绘制Ver的进度。

• 在右边的伪代码中，表示既不请求也不释放任何资源的计算。

• hor首先要求打印机；然后使用它;然后请求绘图者；然后使用两种；然后释放打印机；然后使用绘图仪；最终释放了绘图仪；
• ver先请求绘图仪，然后释放绘图仪。
• 图的原点表示两个进程的开始。
• 它们的组合状态是图上的一个点。

每个过程需要打印机和绘图仪的时间周期沿着坐标轴表示，它们的组合效果由正方形的颜色表示。

• 系统从左下角开始，目标是到达右上角，在那里两个进程都已经结束。
• 深绿色表示两个进程都有绘图仪，因此执行无法到达这个区域，浅绿色表示两者都有打印机；也不可能的。
• 粉色无色最中间那个正方形：表示同时拥有打印机和绘图仪的两个进程，这是（双倍）不可能的。
• 黄金是可能的（Hor有绘图仪，Ver有打印机），但系统无法到达那里。
• 青色是安全的。从青色的任何地方，我们可以水平和垂直移动到终点，而不会碰到任何不可能的区域。
• 这个棕色的点是……死锁。我们不想去那里。

 

• 品红色很有趣，它具有这些可能：每个处理器有不同的资源；可从起点到达；暂时还没有产生死锁：每个处理器可以在洋红色内移动；致命：到了品红色区域内后死锁已经不可避免，随着时间向前推进，系统会碰到洋红色的边界，然后别无选择，只能转向棕色的点。
• 青色-品红的边界是危险区域。

虚线表示可能的执行方式，对于单处理器的系统而言，在对角线上完成移动是不可能的，所以我们要么向右移动，要么向上移动。所以一个合理的执行方式可以变成这样。

1. Hor执行一点；
2. Ver执行一点；
3. Hor执行，请求打印机，然后执行了一些操作；
4. Ver执行，请求绘图仪，然后执行了一些操作；

危机就在眼前！

• 如果资源管理器给Ver绘图仪，那就进入了品红色区域，等于在等死了。进入这里的人要放弃一切希望-但丁。
• 正确的做法是推迟满足要求。因此，Ver被阻塞，只有Hor执行。因此，代表系统状态的黑点水平向右移动。当我们在位于品红色方块下方的时候，即使绘图仪可用，我们也必须继续拒绝V对绘图仪的请求。
• 一旦我们在深绿色下，我们不再有选择，绘图器不再可用，所以V的请求不能被批准。
• 在深绿色的末端，没有危险，两个过程都将成功完成。胜利！

上述过程对于一般操作系统是不实用的，因为它需要事先知道程序。也就是说，资源管理器提前知道每个进程将发出什么样的请求以及请求的顺序。

Homework 17

17. All the trajectories in the Figure are horizontal or vertical. Under what conditions is is possible for a trajectory to be a diagonal.

首先需要假设当前系统是一个MultiProcessor的系统，否则即便在不产生死锁的前提下，它也会是一条阶梯状的折线。因此回答这个问题的思路就是在什么情况下没有死锁产生，那就不需要有谁先谁后。

A. 两个进程不存在对不可抢占资源的竞争

B. 每一种类型的资源都不止一个实例，如存在两个打印机和两个绘图仪

C. 打印机和绘图仪都是以假脱机形式工作的

18. Can the resource trajectory scheme in the Figure also be used to illustrate the problem of deadlocks with three processes and three resources? If so, how can this be done? If not, why not?

当然可以，但是并不直观，每增加一个进程就相当于多了一个维度，三个进程就变成了一个立方体对象。类比于两个进程的方式，三个进程和三个资源就变成了从一个立方体的左下角走到右上角。同理在最左下角的那个方格是不可进入的，进入即代表死锁产生。

19. In theory, resource trajectory graphs could be used to avoid deadlocks. By clever scheduling, the operating system could avoid unsafe regions. Is there a practical way of actually doing this?

除非我们已经明确知道各个进程在什么时候会产生对具体资源的请求以及要使用多长时间，否则我们是无法在实际应用中使用资源轨迹图的方式来避免死锁产生的。因此实际应用中基本不会使用。

 

Safe States安全状态

提供一些额外的知识来避免死锁。

• 自然的，系统的资源管理器知道系统中包含了哪些可用资源；
• 管理器，一个负责将资源分配给进程的代理，它知道给与了每个进程多少个单位的资源，以及系统中还剩余了哪些资源可用；
• 很高兴能像我们在上一节中所做的那样提前查看所有程序，从而了解所有未来的请求，但这要求太多了。
• 但是取而代之的是，当每个进程启动时，这个进程会宣布它的最大资源使用量。也就是说，每个进程在发出任何的资源请求之前，必须告诉资源管理器进程可能需要的每个资源的最大单位数，这称为进程的声明（claim of the process）。
• 如果声明大于系统中的单元总数，则资源管理器在收到声明时终止进程（或返回错误代码以便进程可以进行较小的声明）。
• 如果在运行过​​程中进程要求的数量超过其声明的数量，则进程将中止（或返回错误代码且未分配资源）。
• 如果一个进程请求的资源比它实际需要的多，结果是资源管理器将变得的更加保守，并且可能会有更多的进程等待。

Valid/Invalid claims有效/无效声明：假设只有一种资源类型，系统包含该资源的5个单位，并且有两个进程 P 和 Q。

• 如果进程P声明请求7个单位的资源，则该声明无效；
• 如果进程P和进程Q各自声明需要4个单位的资源，该声明成立；
• 如果P声明3个单位，然后请求3个单位是合理的，但是当P拿着三个3单位的资源再去请求3个单位的资源会被驳回，因为P只说了要3个，不能给他6个；
• 如果P声明4个单位，然后先请求3个单位，那么RM会立刻分配，然后P释放了两个单位的资源，此时P持有1个，那么P再请求3个单位的资源是可被满足的，因为1+3=4，没有超过P声明的资源数量。

 

过度声明导致过度保守的一个例子：假设系统有 10 个单位的一类资源 R，进程 P1 和 P2 运行都需要三个单位的 R。

• 如果每个进程要求 10 个单位的资源，资源管理器将阻止P1或P2其中一个进程。

1. 每个进程持有3单位并声称7单位资源的状态看起来很可怕；
2. 每个进程可能请求7个以上的资源，但是资源管理器知道只剩下4个了；
3. 我们知道声明请求更多资源这样的情况并不可怕，但是RM并不这样想；

如果每个进程老老实实的声明自己只需要3个单位的资源就不会阻塞。

 

定义：当进程按照一定的顺序运行且满足以下要求时我们称它为安全状态：如果进程按上述顺序运行并且最终都可以终止。（假设没有一个进程会超过他的资源声明，并且假设每个进程都将在它所有的资源请求被批准时终止）。

        在安全状态的定义中，没有对进程的行为做任何假设，也就是说为了保证状态是安全的，无论进程做什么都必须终止（如果单独运行，每个进程都会终止，并且每个进程使用的资源不会超过它的声明）。对流程的行为不做任何假设就等同于做了最悲观的假设。

注意:当我说悲观时，我是从资源管理器的角度说的。从管理人员的角度来看，进程所能做的最糟糕的事情就是请求资源。

 

比较以上算法在多单元资源下检测死锁和确定安全性。

• 死锁检测算法对非阻塞进程做出最乐观的假设，即进程将立即返回所有资源，然后正常终止。如果我们仍然发现仍然被阻塞的进程，那么它们就是死锁的。

 

• 基于安全性的银行家算法会对非阻塞进程做出最悲观的假设，即该进程会立即请求它能请求的所有资源（即，直到它的初始请求）。如果，即使有这样要求很高的进程，资源管理器也能确保所有进程都终止，那么死锁就可以避免。

 

给出以下四种可能性中的一些示例：

1. 安全且死锁：不可能的，安全状态下不可能出现死锁；
2. 安全且不死锁：一个简单的示例是资源分配图中没有任何弧段并且所有的进程的声明是合法的；
3. 不安全并且死锁：任何发生死锁肯定是不安全的；
4. 不安全且不死锁：有趣，运气好.jpg

 

下面的三个图都是相同的可重复使用的研究图表。此外，中间和右边表示每个过程的初始要求。没有一个图表示死锁状态(没有进程被阻塞)。我们的首要目标是确定哪些是安全的。

Question: Does the left figure represent a safe state or not?

Answer: You can NOT tell until you are told the initial claims of each process.

在不知道每个进程的声明之前显然是不能做出任何判断的。

由于状态显然没有死锁（没有进程被阻塞），我们有第四种（有趣的）可能性的例子：没有死锁并且不安全。现在考虑右侧的那张图，它是相同的可重用资源图，但是有以下非常相似的初始声明：

• 进程P：需要2个单位的资源R，1个单位的资源S；
• 进程Q：需要1个单位的资源R，2个单位的资源S；

Question: Is the state in the right figure safe?

Answer: Despite its similarity to the middle figure, the right figure represents a state that IS safe.

显而易见，中间的资源图产生了死锁是不安全的，右侧的是安全的。

请解释为什么会这样。

请不要犯不幸的常见考试错误，给出一个涉及安全状态的例子而不给出声明。所以如果我让你画一个资源分配图是安全的还是不安全的，你必须包括每个进程的初始声明。我经常但不总是问这样一个问题，每次我这样做，几个学生忘记给出声明，因此失去了分数。分情况讨论！！！

我预测，如果我这学期问这样的问题，还会有学生犯这样的错误。请证明我错了。

 

How the Resource Manager Determines if a State is Safe RM如何判断状态是否安全

资源管理器有以下已知信息，这些信息可以确定安全。

• 由于资源管理器已经知道所有进程对资源的声明，它可以确定每个进程可以请求的额外资源的最大数量；
• 资源管理器知道每种资源还剩下多少；

然后，资源管理器遵循下列规则，这是dijkstra提出的银行家算法的一部分，以确定状态是否安全。

1. 如果没有剩余的进程存在，则状态一定是安全的；
2. 选择一个进程P，他对每个资源类型的最大额外请求数量小于系统中该类型资源的剩余需求数量。如果找不到这样的进程，则处于不安全的状态，如果找到这样的P，那么资源管理器知道可以满足进程P的所有需求，因此可以选择P而拒绝其他的进程；
3. 银行家现在假装P已经终止，因此银行家可以假设P当前所持有的资源全部被归还，那么此时可以选择其余的进程；
4. 重复上述步骤；

备注：我已经在课堂上讲述了一个练习，这是期中考试的解决方案！

Example 1

考虑一下下方表格中显示的示例。黑色的数据是问题陈述的一部分。红色部分为计算出的数据。我们想确定这个状态是否安全。

A safe state with 22 units of one resource
process	initial claim	current alloc	max add'l
X	3	1	2
Y	11	5	6
Z	19	10	9
Total		16
Available		6

• 资源R拥有22个单元；
• 三个进程X Y Z，在进程初始化时声明需要3 11 19个资源；
• 此时X Y Z分别持有1 5 10个资源；
• 显而易见，资源管理器只剩下了22-1-5-10=6个资源；
• 所以与之对应的是X Y Z还分别需要2 6 9个资源；
• 因此资源管理器并不能保证Z可以被终止，但是这不是问题所在；
• 银行家通过如下推理确定状态是安全的：

1. 目前有足够的资源来满足进程X未来的所需资源，那么我们可以选择延迟批准Y或Z所提出的任何资源请求并使用剩余6个资源中的两个来满足X；然后等待X终止时会退还它所持有的所有资源，那么此时我们就拥有了7个R资源；
2. 当我们拥有7个R资源后，那么我们就拥有足够的资源来满足Y所提出的任何资源需求；同理此时我们会拒绝Z的资源请求，直到Y运行完毕后我们就有了12个资源；
3. 显然我们可以用当前持有的12个资源来自于Z的任意请求，最后所有的任务就都完成了；

重要提示：以上只是表明，银行家有方法来确保进程终止，但是并不能保证银行家会这样做；

 

Example 2

这个示例是示例1的延续，在示例1中，Z请求2个单位，而经理(愚蠢地?)批准了这个请求。

An unsafe state with 22 units of one resource
process	initial claim	current alloc	max add'l
X	3	1	2
Y	11	5	6
Z	19	12	7
Total		18
Available		4

• 目前X Y Z进程各自持有1 5 12个资源；
• 资源管理器只剩下了4个单位的资源；
• X Y Z进程最大的额外需求是2 6 7个资源；

这种状态是不安全的，为什么？

• 此时只有X进程可以被满足请求；
• 但是在X完成之后，资源管理器中只剩下5个单位的资源，仍然不能满足Y和Z的额外资源请求；
• 显然，我们能够找到一个可以终止的进程X，但是当X结束之后还是出现了阻塞的状态，所以仅仅找到一个进程是不够的，我们必须找到所有进程结束的顺序。

注意：

1. 请记住，不安全状态不一定是死锁状态。事实上，对于许多不安全状态，如果管理员幸运的话，所有流程都可以成功终止。当前未被阻塞的进程可以终止（而不是在初始请求之前请求更多资源，这是最坏的情况，也是管理员准备的情况）。安全状态意味着管理员可以保证不会发生死锁（即使是在最坏的情况下，即流程请求的数量在初始声明允许的范围内）；
2. 当银行家确定一个状态是安全的时，银行家已经找到了流程的顺序，保证所有流程都将终止。也可以有其他可以执行的顺序，银行家并没有对它所发现的顺序作出承诺。例如，例1中的银行家发现按X, Y, Z执行将保证终止。然而，如果下一个事件是Y请求1个单位，银行家将批准该请求，因为最终状态再次是安全的，下一节将进一步解释这一点。

 

标签：操作系统,绘图仪,现代,死锁,进程,资源管理,资源,请求
来源： https://www.cnblogs.com/thomaszhong/p/15771291.html