一.死锁的概念

1.什么是死锁？
多个进程因竞争资源而造成的一种僵局（相互等待），若无外力作用，这些进程都将无法向前推进
2.为什么会产生死锁？
由于系统中存在一些不可剥夺资源，当两个或两个以上进程占有自身的资源并请求对方的资源时，会导致每个进程都无法向前推进
3.死锁产生的原因
系统资源的竞争、进程推进顺序非法、信号量使用不当
4.死锁产生的必要条件
（1）互斥条件
进程要求分配的资源是排他性的，即最多只能同时供一个进程使用
（2）不剥夺条件
进程在使用完资源之前，资源不能被强制夺走
（3）请求并保持条件
占有自身本来拥有的资源并要求其他资源
进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但对自己已获得的资源保持不放。
（4）循环等待条件
存在一种进程资源的循环等待链，链中每个进程已获得的资源同时被链中下一个进程所请求
5.死锁、饥饿、死循环

二.死锁的处理策略

1.死锁预防：破坏必要条件，让死锁无法发生

（1）破坏互斥条件
将互斥使用的资源改为共享设备。
如两个进程互斥访问打印机，利用SPOOLing技术，由一个输出进程接收两进程的打印数据，然后依次发给打印机，将打印机改为了共享设备。

但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。

• SPOOLing技术（假脱机技术）
  为了缓和CPU的高速性和I/O设备低速性之间的矛盾，引入了脱机输入/输出技术。SPOOLing技术是操作系统中采用的一项将独占设备改造成共享设备的技术
• 特点：提高了I/O的速度，将独占设备改造为共享设备、实现了虚拟设备功能
• 组成：输入井和输出井、输入缓冲区和输出缓冲区、输入进程和输出进程

（2）破坏不剥夺条件
①主动释放。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。
②强行剥夺。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）

缺点：
①实现起来比较复杂
②释放已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反复地申请和释放资源会增加系统开销，降低系统吞吐量。④若采取主动释放，只要暂时得不到某个资源，之前获得的那些资源就都需要放弃，以后再重新申请。如果一直发生这样的情况，就会导致进程饥饿。

（3）破坏请求并保持条件
可以采用静态分配方法，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。

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。

（4）破坏循环等待条件
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。即：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。

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。

2.避免死锁：在动态分配资源的过程中，用一些算法防止系统进入不安全状态

（1）银行家算法

在进程提出资源申请时，先预判此次分配是否会导致系统进入不安全状态。如果会进入不安全状态，就暂时不答应这次请求，让该进程先阻塞等待。

系统中有5个进程P0-P4，3种资源R0-R2，初始数量为（10,5,7），则某一时刻的情况可表示如下：

当前剩余可分配（3,3,2）

①P0不满足，P1满足，分配给P1并回收，剩余（5,3,2）
②P0不满足，P2不满足，P3满足，分配给P3并回收，剩余（7,4,3）
③P0满足，分配并回收，剩余(7,5,3)
④P2满足，分配并回收，剩余（10,5,5）
⑤P4满足，分配并回收，剩余（10,5,7）

共五次循环检查即可将5个进程都加入安全序列中，最终可得一个安全序列。该算法称为安全性算法。

（2）系统安全状态

所谓安全序列，就是指如果系统按照这种序列分配资源，则每个进程都能顺利完成。只要能找出一个安全序列，系统就是安全状态。当然，安全序列可能有多个。如果分配了资源之后，系统中找不出任何一个安全序列，系统就进入了不安全状态。这就意味着之后可能所有进程都无法顺利的执行下去。

如果系统处于安全状态，就一定不会发生死锁。如果系统进入不安全状态，就可能发生死锁。

（3）银行家算法代码角度

（3-1）基本定义
假设系统中有n个进程，m种资源。
①每个进程在运行前先声明对各种资源的最大需求数，则可用一个n* m的矩阵表示所有进程对各种资源的最大需求数。最大需求矩阵Max，Max[i,j]=K表示进程P_i最多需要K个资源R_j
②n*m的分配矩阵Allocation表示对所有进程的资源分配情况
③Max-Allocation=Need矩阵，表示各进程最多还需要多少各类资源。
④用一个长度为m的一维数组Available表示当前系统中还有多少可用资源
⑤用一个Allocation表示对所有进程的资源分配情况
⑥某进程Pi向系统申请资源，可用一个长度为m的一维数组Request_i表示本次申请的各种资源量

（3-2）分配过程
因为它所需要的资源数已超过它所宣布的最大值。可用银行家算法预判本次分配是否会导致系统进入不安全状态：
①检查此次申请是否超过了之前声明的最大需求数。如果Request_i[j]<=Need[i,j] (0≤j≤m)则继续，否则认为出错
②检查此时系统剩余的可用资源是否还能满足这次请求。如果Request_i[j]<=Available[j]（0≤j≤m)，则继续。否则表示尚无足够资源，P_i必须等待。
③系统给进程P_i进行资源预分配，并修改相应的数据：Available=Available-Request_i，Allocation[i, j] = Allocation[i, j] + Request_i[j]，Need[i, j] = Need[i, j] – Request_i[j]
④操作系统执行安全性算法，检查此次资源分配后，系统是否处于安全状态。若安全，才正式分配；否则，恢复相应数据，让进程阻塞等待。

3.死锁的检测和解除：只检测当前系统有没有发生死锁，若有，采取一些措施解除

（1）资源分配图

圆圈代表一个进程，框代表一类资源，框中的一个圆代表一类资源中的一个资源。

①请求边：从进程到资源的有向边称为请求边，表示该进程申请一个单位的该类资源
②分配边：从资源到进程的边称为分配边，表示该类资源已有一个资源分配给了该进程

图中，进程P1已经分得了两个R1资源，并又请求一个R2资源；进程P2分得了一个R1资源和一个R2资源，并又请求一个R1资源。

（2）死锁定理

R2只分配了1个，剩1个，P1请求R2可以满足

回收P1资源，删除P1的出边和入边。
P2请求可以满足。

回收P2，删除P2的出边和入边

若最终能消除所有边，就称这个图是可完全简化的。此时一定没有发生死锁(相当于能找到一个安全序列)。如果最终不能消除所有边，那么此时就是发生了死锁。最终还连着边的那些进程就是处于死锁状态的进程。

（3）死锁解除

①资源剥夺法：挂起某些死锁进程，并抢占它的资源将这些资源分配给其他的死锁进程，但要防止被挂起的进程长时间得不到资源而处于资源匮乏状态
②撤销进程法
强制撤销部分甚至全部死锁进程并剥夺这些进程的资源。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（或多）个进程回退到足以回避死锁的地步，进程回退时自愿释放资源而非被剥夺。要求系统保持进程的历史信息，设置还原点

如何决定“对谁动手”
①进程优先级。低优先级的先剥夺。
②已执行多长时间。执行时间短的先剥夺。
③还要多久能完成。保护马上就要完成的。
④进程已经使用了多少资源。剥夺使用资源多的容易解除死锁局面。
⑤进程是交互式的还是批处理式的。保护交互式进程，用户优先。