死锁的解决
- 死锁的预防（打疫苗）
- 死锁的避免（戴口罩）
- 死锁的检测（做核酸）
死锁的预防
前面我们提到了死锁的四个必要条件
- 防止前三个必要条件，就是间接预防
- 防止最后一个必要条件–循环等待，就是直接预防
接下来我们讨论一下这四个条件如何预防
- 互斥访问：系统属性不可修改，必须支持
- 保持和请求：要求一次性请求所需的全部资源
- 进程得到资源前要阻塞很长时间
- 降低了系统利用率和并发程度
- 有可能无法预先知道所需资源
- 不可剥夺：修改为可剥夺
- OS可以实现，适用于资源的使用状态可以保存并恢复
- 处理器和内存的资源可剥夺（上下文、页面置换算法）
- 循环等待：
- 需要定义一个资源类型的线性序，资源在申请的时候必须按照这个序
- 效率不高，减缓了进程的推进，以及不必要地拒绝资源访问
死锁的避免
系统需要动态作出决定：如果当前资源分配请求满足，是否会导致死锁。
- 需要未来的进程资源请求
- 动态判定当下情况有没有可能发生死锁
两种方式：
-
拒绝进程启动：如果进程资源请求可能导致死锁则不启动进程
-
拒绝资源访问：如果本次分配可能导致死锁，则拒绝进程的增量资源请求
拒绝进程启动
系统中有n个进程，m种资源
- R是资源总数矩阵
- V是可用的资源矩阵
- claim是最大需求矩阵
- allocation是已经分配的资源矩阵
保守策略
e.g.
假设银行有账面200万，有三个客户来贷款，总量分别是100、80、60万。按照保守策略，银行对第一个用户和第二个用户贷款申请可以批准一次付清，但是第三个用户就不能批准了，相当于拒绝了第三个用户的贷款申请（类比进程启动）。
拒绝资源分配
著名的银行家算法
假设按照上述案例，银行分批贷款，第一次分配完后账面只剩下10万，此时第二轮分期只能给user2，否则user1和3满足不了，后期也收不回本金。所以，银行只能一直拒绝两者的催款直到user2还款。（类比系统资源，OS会根据当前状况动态决定资源分配，是否需要拒绝进程的资源申请）。
这里就要找到安全序列，该序列可以依次满足不同用户的最大需求。
来看OS如何进行资源分配
R = V + A（资源总数 = 可用资源+已经分配的资源）
这里遍历矩阵C - A每行和V对比，找到某个在有限时间内可以执行完将资源归还给系统的进程。经过多次分配，直到所有进程运行完毕，然后得到安全分配序列。
如上图，能符合011的就只有P2进程可以满足，也就是说OS接下来只能一次满足P2进程的资源申请要求，此时安全队列中加入P2。P2执行结束之后释放自己的所有资源，此时可用资源就变成了673。
同理，我们按照之前的分配策略，可以发现对于这四个进程的唯一安全分配序列是P2→P1→P3→P4.
举一个不安全示例
当进程1在第一次剩余资源分配的时候请求资源R3，如果OS分配出去，会导致进程2也不能满足最大需求，这个时候就找不到安全分配序列，很容易发生死锁，所以之前就要拒绝进程1的资源分配请求。
教科书上给了伪代码，感兴趣的小伙伴可以看一下
避免死锁有一些优势，但是缺点也很明显。
优势
- 不需要如死锁检测一样抢占、回滚进程
- 同死锁预防相比，资源分配限制少
缺点 - 需要提前声明最大资源请求
- 设计进程独立且无同步需求
- 分配资源数目固定
- 当拥有资源时进程不退出
一般通用的OS很难满足上述需求，所以只能是理论上分析。但是对于一些嵌入式系统，由于代码和硬件固化，或许可以按照银行家算法去设计避免死锁。
死锁的检测
检测频率
检测的频率如何控制呢？
如果每次资源请求的时候都检查是否有死锁，系统开销就会很大
两个思路
- 进程阻塞时间过长则检测
- 资源利用率下降则检测
这里可以使用拓扑排序找资源分配回路（需提前简化，以防伪回路）
这个涉及图论中的邻接矩阵的表示，利用的也是前面的V、A，还有一个请求矩阵Q
所有进程都要先打上“未死锁”标签，然后检查进程序列的标签中是否有“死锁”
具体执行过程见PPT，这里不做重点
让我们来分析一些各个进程的情况：
首先，p4肯定没问题，因为它的的分配矩阵行全为0，第一步就被标记了。p3在p4的基础上没问题，因为执行第三步的时候发现p3满足条件1，于是第四步p3被标记。
而p1、p2死锁，因为返回到步骤三发现此时已经找不到符合条件的进程了，检测终止，此时两个进程未标记符合死锁条件。
当然，也可以用上一节学的进程请求/资源分配图来看，更直观一些。
恢复策略
- 中止所有死锁进程
- 死锁进程回退到某个预定义的检查点，重新启动所有进程（下一次可能还会发生死锁）
- 依次中止死锁进程，可以逐步解决
- 剥夺进程死锁的资源
而上述选择中止的死锁进程准则
- 到目前为止，使用处理器时间最少（有效执行时间最短）
- 到目前为止，产生输出最少（比如写数据最少）
- 估计剩余的执行时间最长（第九章调度策略）
- 到目前为止，分配资源最少的（拥有的资源最少）
- 考虑进程的优先级最低的进程
亦可以采用复合准则加权统一各个原则
综合死锁策略
举例
- 将各种资源归入若干不同的资源类
- 每一类资源使用线性序申请预防
- 对同一资源类中的资源，采用适当的方法
例如数据库管理系统
- Swappable space: 对换用的磁盘块（空间足够），一次性分配所需所有资源来预防或死锁避免
- Process resources: 可分配资源（磁带机、文件），避免或基于资源排序的预防
- Main memory: 页或段，基于剥夺的预防
- Internal resources: 如 I/O channels，基于资源排序的预防（早期的磁带机等）
总结
