进程（四）

news2025/1/23 2:08:02

进程四

- 2.21 管程
- 2.22 死锁的概念
- 2.23 死锁的处理策略
- - 2.23.1 破坏四个条件
  - 2.23.2 动态策略: 避免死锁
  - 2.23.3 死锁的检测和解除

2.21 管程

本小计知识概览

为什么要引入管程

管程的定义和基本特征

管程是一种特殊的软件模块，有这些部分组成:

局部于管程的共享数据结构说明;
对该数据结构进行操作的一组过程;
对局部于管程的共享数据设置初始值的语句:
管程有一个名字。

共享数据结构可以理解为临界资源，一组过程其实就是一些访问临界资源的函数（方法）。

管程的基本特征:

局部于管程的数据只能被局部于管程的过程所访问;
一个进程只有通过调用管程内的过程才能进入管程访问共享数据:
每次仅允许个进程在管程内执行某个内部过程

进程只能通过特定的函数（方法）才能访问临界资源。并且在某一时刻，只能有一个进程访问。

用管程解决生产者消费者的问题

Java中类似于管程的机制

总结

2.22 死锁的概念

本小节概览

什么是死锁

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，则长进程将一直得不到处理机，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，有时是程序员故意设计的。

死锁产生的必要条件

产生死锁必须同时满足一下四个条件，只要其中任一条件不成立，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才会导致死锁(如哲学家的筷子、打印机设备)像内存、扬声器这样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

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)

如果同类资源数人于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个，那循环等待就是死锁的充分必要条件了

什么时候会发生死锁

对系统资源的竞争。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。
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。
信号量的使用不当也会造成死锁。如生产者-消费者问题中，如果实现互斥的P操作在实现同步的(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P操作之前，就有可能导致死锁。)

总之，对不可剥夺资源的不合理分配，可能导致死锁。

死锁的处理策略

预防死锁。破坏死锁产生的四个必要条件中的一个或几个。
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)
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。

总结

2.23 死锁的处理策略

本小节概览

2.23.1 破坏四个条件

破坏互斥条件

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。

破坏不可剥夺条件

破坏请求和保持条件

破坏循环等待条件

总结

2.23.2 动态策略: 避免死锁

什么是安全序列

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。

安全序列、不安全状态与死锁的关系

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。当然，如果有进程提前归还了一些资源，那系统也有可能重新回到安全状态，不过我们在分配资源之前总是要考虑到最坏的情况

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 ( 处于不安全状态未必就是发生了死锁，但发生死锁时一定是在不安全状态)

因此可以在资源分配之前预先判断这次分配是否会导致系统进入不安全状态，以此决定是否答应资源分配请求。这也是“银行家算法”的核心思想。

银行家算法

银行家算法是荷兰学者 Dijkstra 为银行系统设计的，以确保银行在发放现金贷款时，不会发生不能满足所有客户需要的情况。后来该算法被用在操作系统中，用于避免死锁。

核心思想: 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。

检查剩余可用资源换 {3,3,2} 满足 P1，先分配给P1，P1结束后归还资源，此时剩余资源 {5,3,2}

检查剩余可用资源 {5,3,2} 满足P3，先分配给P3，P3结束后归还资源，此时剩余资源 {7,4,3}

按照以上的逻辑，顺序将资源分配给 {P1，P3，P0，P2，P4}。

说明该系统处于安全状态，暂时不会发生死锁。

代码实现思想

2.23.3 死锁的检测和解除

死锁的检测

R1 有三个资源，分配P1俩个，P2一个，P2请求R1时，会被阻塞。

R2 有俩个资源，分配 P2 一个资源剩余一个，P1请求R2分配资源，R2正好还有一个，因此分配给P1，P1执行完归还。

此时 R1 剩余俩个，分配给P2，P2执行。

按上述过程分析，就不会发生死锁。

以下这种 R2 无法满足 P1 的请求，就会发生死锁。

死锁的解除

一旦检测出死锁的发生，就应该立即解除死锁。

补充:并不是系统中所有的进程都是死锁状态，用死锁检测算法化简资源分配图后，还连着边的那些进程就是死锁

进程解除死锁的主要方法有:

资源剥夺法：拄起(暂时放到外存上) 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。但是应防止被挂起的进程长时间得不到资源而饥饿。
撤销进程法(或称终止进程法）：强制撤销部分、甚至全部死锁进程，并剥夺这些进程的资源。这种方式的优点是实现简单，但所付出的代价可能会很大。因为有些进程可能已经运行了很长时间，已经接近结束了，一旦被终止可谓功亏一簧，以后还得从头再来。
进程回退法 ：让一个或多个死锁进程回退到足以避免死锁的地步。这就要求系统要记录进程的历史信息。设置还原点。