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第二章 進程管理3 - 進程同步與互斥

目錄

• 第二章 進程管理3 - 進程同步與互斥
• • • 什么是進程同步
    • 進程互斥的原則
    • 進程互斥的軟件實現(xiàn)方法
    • • 1、單標(biāo)志法
      • 2、雙標(biāo)志先檢查法
      • 3、雙標(biāo)志后檢查法
      • 4、Peterson 算法
    • 進程互斥的硬件實現(xiàn)方法
    • • 1、中斷屏蔽方法
      • 2、TestAndSetLock 指令
      • • TSL和中斷屏蔽的區(qū)別
        • 利用TSL完成進程間互斥 - 《現(xiàn)代操作系統(tǒng)》P71
      • 3、XCHG 指令
    • 信號量機制
    • • 1、整型信號量
      • 2、記錄型信號量（默認）
      • • 記錄型信號量定義
        • P 操作（wait 操作）
        • V 操作（signal 操作）
      • 信號量機制實現(xiàn)進程互斥
      • 信號量機制實現(xiàn)進程同步 - 前 V 后 P
      • 信號量機制實現(xiàn)前驅(qū)關(guān)系 - 前 V 后 P
  • 經(jīng)典的 IPC 問題
  • • 多生產(chǎn)者 - 多消費者問題
    • • • 分析同步關(guān)系（一前一后）：
        • 代碼
    • 吸煙者問題
    • • 可以生產(chǎn)多個產(chǎn)品的單生產(chǎn)者問題
      • 分析關(guān)系
      • • 三種組合
        • 同步關(guān)系（從事件角度分析）
        • 代碼
    • 讀者寫者問題
    • • • 代碼
    • 哲學(xué)家就餐問題
    • • • 關(guān)系分析
        • 如何防止死鎖的發(fā)生呢？
        • 代碼
  • 管程
  • • • • 管程的特征
  • 死鎖
  • • • 易混概念辨析
      • 死鎖產(chǎn)生的必要條件
      • • 1、互斥條件
        • 2、不剝奪條件
        • 3、請求和保持條件
        • 4、循環(huán)等待條件
      • 什么時候會發(fā)生死鎖
      • • 1、對系統(tǒng)資源的競爭
        • 2、進程推進順序非法
        • 2、信號量的使用不當(dāng)
    • 死鎖的處理策略
    • • 1、預(yù)防死鎖
      • • （1）破壞互斥條件
        • • 方案
          • 缺點：
        • （2）破壞不剝奪條件
        • • 不剝奪條件
          • 方案
          • 缺點
        • （3）破壞請求和保持條件
        • • 請求和保持條件
          • 方案
          • 缺點
        • （4）破壞循環(huán)等待條件
        • • 循環(huán)等待條件
          • 方案
          • 原理
          • 缺點：
      • 2、避免死鎖
      • • 銀行家算法
        • • 銀行家算法的步驟：
          • 安全性算法的步驟：
        • 安全序列
      • 3、死鎖的檢測和解除
      • • 死鎖檢測思想：
        • 死鎖檢測算法：
        • 解除死鎖方法：

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什么是進程同步

知識點回顧：進程具有異步性的特征。異步性是指，各并發(fā)執(zhí)行的進程以各自獨立的、不可預(yù)知的速度向前推進。

由于并發(fā)必然導(dǎo)致異步性。而實際應(yīng)用中，又必須按照某種順序執(zhí)行，如何解決這種異步問題，就是“進程同步”所討論的內(nèi)容。

同步 亦稱直接 制約關(guān)系，它是指為完成某種任務(wù)而建立的兩個或多個進程，這些進程因為需要在某些位置上 協(xié)調(diào)它們的工作次序 而產(chǎn)生的制約關(guān)系。

對臨界資源的互斥訪問，可以在邏輯上分為如下四個部分：

進程互斥的原則

為了實現(xiàn)對臨界資源的互斥訪問，同時保證系統(tǒng)整體性能，需要遵循以下原則：

空閑讓進。臨界區(qū)空閑時，可以允許一個請求進入臨界區(qū)的進程立即進入臨界區(qū)；

忙則等待。當(dāng)已有進程進入臨界區(qū)時，其他試圖進入臨界區(qū)的進程必須等待；

有限等待。對請求訪問的進程，應(yīng)保證能在有限時間內(nèi)進入臨界區(qū)（保證不會饑餓）；

讓權(quán)等待。當(dāng)進程不能進入臨界區(qū)時，應(yīng)立即釋放處理機，防止進程忙等待。

進程互斥的軟件實現(xiàn)方法

1、單標(biāo)志法

算法思想：兩個進程在訪問完臨界區(qū)后會把使用臨界區(qū)的權(quán)限轉(zhuǎn)交給另一個進程。也就是說，每個進程進入臨界區(qū)的權(quán)限只能被另一個進程賦予。

turn 的初值為 0，即剛開始只允許 0 號進程進入臨界區(qū)。

該算法可以實現(xiàn)同一時刻最多只允許一個進程訪問臨界區(qū)，但是兩個進程必須輪流訪問。如果 P0 一直不訪問臨界區(qū)，雖然臨界區(qū)空閑，但并不允許 P1 訪問。違背“空閑讓進”原則。

2、雙標(biāo)志先檢查法

算法思想：設(shè)置一個布爾型數(shù)組flag[]，數(shù)組中各個元素用來標(biāo)記各進程想進入臨界區(qū)的意愿，比如“flag[0] = ture”意味著0 號進程P0 現(xiàn)在想要進入臨界區(qū)。每個進程在進入臨界區(qū)之前先檢查當(dāng)前有沒有別的進程想進入臨界區(qū)，如果沒有，則把自身對應(yīng)的標(biāo)志flag[i] 設(shè)為true，之后開始訪問臨界區(qū)。

由于進入?yún)^(qū)的“檢查”和“上鎖” 兩個處理不是一氣呵成的，“檢查”后、“上鎖”前 可能發(fā)生進程切換。

主要問題是：**違反“忙則等待”**原則，并發(fā)時可能導(dǎo)致兩個進程同時訪問臨界區(qū)。

3、雙標(biāo)志后檢查法

先“上鎖”后“檢查”的方法，來避免上述問題。

若按照①⑤②⑥的順序執(zhí)行，P0 和 P1 將無法進入臨界區(qū)。

此方法雖然 解決了“忙則等待” 的問題，但是又 違背了“空閑讓進”、“有限等待”原則。

4、Peterson 算法

算法思想：結(jié)合雙標(biāo)志法、單標(biāo)志法的思想。如果雙方都爭著想進入臨界區(qū)，那可以讓進程嘗試謙讓

誰最后設(shè)置了 turn 的值，誰就失去了行動的優(yōu)先權(quán)。

Peterson 算法用軟件方法解決了進程互斥問題，遵循了空閑讓進、忙則等待、有限等待三個原則，但是依然未遵循讓權(quán)等待的原則（進程無法獲得使用權(quán)的時候，一直while循環(huán)檢測，消耗CPU資源）。

Peterson 算法相較于之前三種軟件解決方案來說是最好的，但依然不夠好。

進程互斥的硬件實現(xiàn)方法

1、中斷屏蔽方法

與原語的實現(xiàn)思想相同，即在某進程開始訪問臨界區(qū)到結(jié)束訪問為止，都不允許被中斷。

開中斷; 臨界區(qū); 關(guān)中斷;

優(yōu)點：

• 簡單，高效

缺點：

• 不適用于多處理機
• 由于開/關(guān)中斷指令是特權(quán)指令，只能運行在內(nèi)核態(tài)，因此只適用于內(nèi)核級進程，不適用于用戶級進程

2、TestAndSetLock 指令

TSL 是 Test and Set Lock 的縮寫。要實現(xiàn) TSL 需要硬件的支持。

硬件指令：

TSL RX, LOCK # 測試并加鎖

該指令所做的事情：

• 讀取 Lock 的值，存入寄存器RX中
• 給 Lock 設(shè)置一個非0值（設(shè)置到LOCK對應(yīng)的內(nèi)存中）

以上三個步驟是一個 不可拆分 的原子操作，執(zhí)行該指令的CPU將會 鎖住內(nèi)存總線（memory bus），以禁止其他CPU在本指令結(jié)束之前訪問內(nèi)存。

TSL和中斷屏蔽的區(qū)別

當(dāng)一個CPU將中斷屏蔽后，只影響當(dāng)前屏蔽中斷的CPU，其他CPU還是依然可以照樣訪問內(nèi)存的（想要中斷）。唯一一個當(dāng)一個CPU在訪問內(nèi)存時阻止其他CPU訪問內(nèi)存的方法就是將內(nèi)存總線鎖住，這個需要硬件的支持，TSL可以達到該目的。

利用TSL完成進程間互斥 - 《現(xiàn)代操作系統(tǒng)》P71

enter_region:TSL REGISTER, LOCK /*復(fù)制鎖到寄存器并將鎖置1*/CMP REGISTER, #0 /*判斷寄存器內(nèi)容是否為0*/JNE enter_region /*若不是0，說明鎖已經(jīng)被設(shè)置，跳轉(zhuǎn)到enter_region循環(huán)*/RET /*返回調(diào)用者，進入臨界區(qū)*/leave_region:MOVE LOCK, #0 /*在鎖中置0*/RET /*返回調(diào)用者*/

如果LOCK的值為0，則將LOCK的值設(shè)置為1，且進入臨界區(qū)

如果LOCK的值為1，則一直循環(huán)等待

如果多個進程同時調(diào)用TSL，利用TSL的特性：只有一個進程訪問，其他的會被block

（下圖圖源王道）

3、XCHG 指令

一個可替換 TSL 的指令是 XCHG，它原子性地交換了兩個位置的內(nèi)容。它本質(zhì)上與 TSL 的解決方法一樣。

enter_region:MOVE REGISTER, #1 /*給寄存器中置1*/XCHG REGISTER, LOCK /*交換寄存器與鎖變量的內(nèi)容*/CMP REGISTER, #0 /*判斷寄存器內(nèi)容是否為0？*/JNE enter_region /*若不是0跳轉(zhuǎn)到enter_region*/RET /*返回調(diào)用者，進入臨界區(qū)*/ leave_region:MOVE LOCK, #0 /*在鎖中置0*/RET /*返回調(diào)用者*/

優(yōu)點：

• 使用硬件方式實現(xiàn)簡單；適用于多處理機環(huán)境

缺點：

• 不滿足“讓權(quán)等待”原則，暫時無法進入臨界區(qū)的進程會占用 CPU 資源并循環(huán)執(zhí)行 TSL 指令，導(dǎo)致忙等

信號量機制

以上所有方案都無法實現(xiàn)讓權(quán)等待，而信號量機制實現(xiàn)了讓權(quán)等待。

用戶進程通過使用操作系統(tǒng)提供的一對原語來對信號量進行操作，實現(xiàn)了進程互斥、進程同步。

• P 操作：申請 / wait(S) / P(S)

• V 操作：釋放 / signal(S) / V(S)

1、整型信號量

用一個 整數(shù)型的變量 作為信號量，表示系統(tǒng)中某種資源的數(shù)量。對信號量的三種操作：

• 初始化
• P 操作（將“檢查”和“上鎖”一氣呵成，避免并發(fā) / 異步導(dǎo)致的問題）
• V 操作

存在的問題：不滿足“讓權(quán)等待”原則，會發(fā)生“忙等”，一直 while 占用處理機

2、記錄型信號量（默認）

記錄型信號量定義

S.value 表示系統(tǒng)中某種資源的數(shù)目。

P 操作（wait 操作）

對信號量 S 執(zhí)行一次 P 操作，即執(zhí)行 S.value–，表示資源數(shù)減 1

若 S.value < 0 時，該資源已分配完畢，進程調(diào)用 block 原語自我阻塞（運行態(tài) -> 阻塞態(tài)），主動放棄處理機，并插入該類資源的等待隊列 S.L 中。遵循了“讓權(quán)等待”原則。

V 操作（signal 操作）

對信號量 S 執(zhí)行一次 V 操作，即執(zhí)行 S.value++，表示資源數(shù)加 1

若 S.value <= 0，仍有進程在等待資源，則調(diào)用 wakeup 原語喚醒等待隊列中第一個進程（阻塞態(tài) -> 就緒態(tài)）

信號量機制實現(xiàn)進程互斥

分析并發(fā)進程的關(guān)鍵活動，劃定臨界區(qū)（如：對臨界資源打印機的訪問就應(yīng)放在臨界區(qū)）

設(shè)置互斥信號量 mutex，初值為 1

在進入?yún)^(qū) P(mutex)——申請資源

在退出區(qū) V(mutex)——釋放資源

信號量機制實現(xiàn)進程同步 - 前 V 后 P

分析什么地方需要實現(xiàn)“同步關(guān)系”，即必須保證“一前一后”執(zhí)行的兩個操作

設(shè)置同步信號量 S, 初始為 0

在“前操作”之后執(zhí)行 V(S)

在“后操作”之前執(zhí)行 P(S)

P2 需要這種資源，而只有 P1 才能產(chǎn)生這種資源。即，只有執(zhí)行了 V 操作之后，P 操作之后的代碼才會執(zhí)行。

信號量機制實現(xiàn)前驅(qū)關(guān)系 - 前 V 后 P

進程P1 中有句代碼S1，P2 中有句代碼S2 ，P3中有句代碼S3 …… P6 中有句代碼S6。這些代碼要求按如下前驅(qū)圖所示的順序來執(zhí)行：

其實每一對前驅(qū)關(guān)系都是一個進程同步問題（需要保證一前一后的操作）因此，

要為每一對前驅(qū)關(guān)系各設(shè)置一個同步信號量

在“前操作”之后對相應(yīng)的同步信號量執(zhí)行V 操作

在“后操作”之前對相應(yīng)的同步信號量執(zhí)行P 操作

經(jīng)典的 IPC 問題

生產(chǎn)者、消費者共享一個初始為空、大小為n的緩沖區(qū)。緩沖區(qū)是臨界資源，各進程必須互斥地訪問。

• 若緩沖區(qū) 不滿，生產(chǎn)者可以 生產(chǎn) -> V(full) 釋放

• 若緩沖區(qū) 非空，消費者可以 消費 -> P(full) 申請

仍然滿足 前 V 后 P：consumer 需要這種資源，而只有 producer 才能產(chǎn)生這種資源。即，只有執(zhí)行了 V(full) 操作之后，P(full) 操作之后的代碼才會執(zhí)行。

semaphore mutex = 1; // 互斥信號量，實現(xiàn)對緩沖區(qū)的互斥訪問 semaphore empty = n; // 同步信號量，表示空閑緩沖區(qū)的數(shù)量 semaphore full = 0; // 同步信號量，表示產(chǎn)品的數(shù)量，也即非空緩沖區(qū)的數(shù)量producer (){ // 生產(chǎn)者while(1){生產(chǎn)一個產(chǎn)品;P(empty); // 實現(xiàn)互斥的 P 操作必須在實現(xiàn)同步的 P 操作之后，否則會導(dǎo)致死鎖P(mutex);把產(chǎn)品放入緩沖區(qū);V(mutex); // 可以改變相鄰 V 操作的順序V(full);} }consumer (){ // 消費者while(1){P(full);P(mutex);從緩沖區(qū)取出一個產(chǎn)品;V(mutex);V(empty);使用產(chǎn)品;} }

多生產(chǎn)者 - 多消費者問題

桌上有一盤子，每次只能放入一個水果。爸爸只放蘋果，媽媽只放橘子，兒子只吃橘子，女兒只吃蘋果。

盤子空才能放，盤子有正確的水果才能取。用 PV 操作實現(xiàn)上述過程。

生產(chǎn)者生產(chǎn)的產(chǎn)品、消費者消費的產(chǎn)品類別各不相同。

分析同步關(guān)系（一前一后）：

父親將蘋果放入盤子后，女兒才能取蘋果

母親將橘子放入盤子后，兒子才能取橘子

只有盤子為空時，父親或母親才能放入水果

總結(jié)：在生產(chǎn)者-消費者問題中，如果緩沖區(qū)大小為1，那么有可能不需要設(shè)置互斥信號量就可以實現(xiàn)互斥訪問緩沖區(qū)的功能。這不是絕對的，要具體問題具體分析。

建議：在考試中如果來不及仔細分析，可以加上互斥信號量，保證各進程一定會互斥地訪問緩沖區(qū)。但需要注意的是，實現(xiàn)互斥的 P 操作一定要在實現(xiàn)同步的 P 操作之后，否則可能引起“死鎖”。

代碼

// semaphore mutex = 1; // 實現(xiàn)互斥訪問盤子（緩沖區(qū)） semaphore apple = 0; // 盤子中有幾個蘋果 semaphore orange = 0; // 盤子中有幾個橘子 semaphore plate = 1; // 盤子中還可以放多少個水果 dad (){while(1){準(zhǔn)備一個蘋果;P(plate); // P 申請盤子里的一個空位把蘋果放入盤子;V(apple); // V 釋放一個蘋果} } mom (){while(1){準(zhǔn)備一個橘子;P(plate);把橘子放入盤子;V(orange);} } daughter (){while(1){P(apple); // P 申請一個蘋果從盤中取出蘋果;V(plate); // V 釋放盤子一個空位吃掉蘋果;} } son(){while(1){P(orange);從盤中取出橘子;V(plate);吃掉橘子;} }

吸煙者問題

可以生產(chǎn)多個產(chǎn)品的單生產(chǎn)者問題

系統(tǒng)中有 三個抽煙者進程，每個抽煙者不斷地卷煙并抽煙。抽煙者卷起并抽掉一顆煙需要有三種材料：煙草、紙、膠水。一個抽煙者有煙草，一個有紙，另一個有膠水。

系統(tǒng)中還有 一個供應(yīng)者進程，它們無限地供應(yīng)所有三種材料，但每次僅輪流提供三種材料中的兩種。

得到缺失的兩種材料的抽煙者在卷起并抽掉一顆煙后，會發(fā)信號通知供應(yīng)者，讓它繼續(xù)提供另外的兩種材料。這一過程重復(fù)進行。

請用以上介紹的 IPC 同步機制編程，實現(xiàn)該問題要求的功能。

分析關(guān)系

桌子：容量為1的緩沖區(qū)，要互斥訪問

三種組合

紙 + 膠水

煙草 + 膠水

煙草 + 紙

同步關(guān)系（從事件角度分析）

桌上有組合 1 -> 第 1 個抽煙者取走東西

桌上有組合 2 -> 第 2 個抽煙者取走東西

桌上有組合 3 -> 第 3 個抽煙者取走東西

發(fā)出完成信號 -> 供應(yīng)者將下一個組合放到桌上

代碼

不需要設(shè)置一個專門的同步信號量。因為緩沖區(qū)大小為 1，故同一時刻，四個同步信號量中至多有一個為 1。

semaphore offer1 = 0; // 桌上組合一的數(shù)量 semaphore offer2 = 0; // 桌上組合二的數(shù)量 semaphore offer3 = 0; // 桌上組合三的數(shù)量 semaphore finish = 0; // 抽煙是否完成 int i = 0; // 用于實現(xiàn)“三個抽煙者輪流流抽煙”provider (){while(1){if(i==0) {將組合一放桌上;V(offer1);} else if(i==1){將組合二放桌上;V(offer2);} else if(i==2){將組合三放桌上;V(offer3);}i = (i+1)%3;P(finish);} }smoker1 (){while(1){P(offer1);從桌上拿走組合一；卷煙；抽掉；V(finish);} }smoker2 (){while(1){P(offer2);從桌上拿走組合二；卷煙；抽掉；V(finish);} }smoker3 (){while(1){P(offer3);從桌上拿走組合三；卷煙；抽掉；V(finish);} }

讀者寫者問題

有讀者、寫者兩組并發(fā)進程，共享一個文件。規(guī)則：

• 允許 多個讀者 同時 讀 文件
• 只允許 一個寫者 寫文件
• 寫完成 之前 不允許讀
• 讀完成 之前 不允許寫

互斥關(guān)系

• 互斥：寫 - 寫 / 寫 - 讀

• 不互斥：讀 - 讀

代碼

讀寫公平法：即使連續(xù)有 多個讀者 到來，也 不會使寫者一直饑餓，是相對公平的先來連服務(wù)原則。

semaphore rw = 1; // 讀寫信號量，實現(xiàn)只讀或只寫（互斥訪問） int count = 0; // 記錄當(dāng)前有幾個讀者程在訪問文件 semaphore mutex = 1; // 用于保證對count變量的互斥訪問 semaphore w = 1; // 用于保證寫者不會饑餓writer (){ // 寫者while(1){P(w); // 用于保證寫者不會饑餓P(rw); // 寫者申請一個讀寫信號量（意味著只寫）寫文件;V(rw);V(w);} }reader (){ // 讀者while(1){P(w); // 用于保證寫者不會饑餓P(mutex); // 對count操作前，需要申請count變量的獨占if(count == 0){ // 沒有讀者P(rw); // 讀者申請一個讀寫信號量（意味著只讀）}count++; // 全局變量增加一個寫進程V(mutex); // 釋放count變量的獨占V(w);讀文件;P(mutex);count--;if(count == 0){V(rw);}V(mutex);} }

哲學(xué)家就餐問題

圓桌坐著 5 名哲學(xué)家，每兩個哲學(xué)家之間有一根筷子，哲學(xué)家交替進行思考和進餐。進餐時，試圖一根一根拿起左、右兩根筷子，只有同時拿起兩根筷子才能進餐，否則需要等待。進餐完畢后，哲學(xué)家放下筷子繼續(xù)思考。

關(guān)系分析

• 5 個哲學(xué)家進程
• 相鄰哲學(xué)家對中間筷子的訪問是互斥關(guān)系

每個哲學(xué)家進程需要同時持有兩個臨界資源才能開始吃飯。如何避免死鎖現(xiàn)象，才是哲學(xué)家問題的精髓。

定義互斥信號量數(shù)組 chopstick[5] = {1, 1, 1, 1, 1} 用于實現(xiàn)對 5 個筷子的互斥訪問。并對哲學(xué)家按 0 ~ 4 編號，哲學(xué)家 i 左邊的筷子編號為 i，右邊的筷子編號為 (i + 1) % 5

如何防止死鎖的發(fā)生呢？

有很多種方式，舉幾個例子：

最多允許四個哲學(xué)家同時進餐，這樣保證至少有一個哲學(xué)家能拿到左右兩只筷子.

奇數(shù)號哲學(xué)家先拿左邊的筷子再拿右邊的筷子，偶數(shù)號哲學(xué)家相反。這樣保證如果相鄰的兩個奇偶號哲學(xué)家都想吃飯，那么只會有其中一個可以拿起第一只筷子。

僅當(dāng)一個哲學(xué)家左右兩支筷子都可用時，才允許他抓起筷子。

代碼

思想：使用 mutex 來實現(xiàn) 只允許一個哲學(xué)家 處于 只拿起了一只筷子的狀態(tài)

semaphore chopstick[5]={1,1,1,1,1}; semaphore mutex = 1; // 互斥地取筷子 Pi (){ // i 號哲學(xué)家的進程while(1){P(mutex);P(chopstick[i]); // 拿左P(chopstick[(i+1)%5]); // 拿右V(mutex);吃飯;V(chopstick[i]); // 放左V(chopstick[(i+1)%5]); // 放右思考;} }

管程

《現(xiàn)代操作系統(tǒng)》P79

由于使用信號量時要非常小心，而且出現(xiàn)的錯誤都是競爭條件、死鎖以及其它一些不可預(yù)測或不可再現(xiàn)的行為，而為了更易于編寫正確的程序，提出了一種高級同步原語，稱為管程（monitor）

一個 管程 是由一個過程、變量及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等組成的一個集合，它們組成一個 特殊的模塊 或 軟件包。

管程有一個很重要的特性：任一時刻，管程中只能有一個活躍進程。

管程是編程語言的組成部分，編譯器知道它們的特殊性，因此可以采用與其它過程調(diào)用不同的方法來處理對管程的調(diào)用。由編譯器而非程序員來安排互斥，出錯的可能性要小很多。

• Java 的 syncronized 就是一個管程，也可使用 wait() / notify() 實現(xiàn)進程的同步。

• C，Pascal 以及多數(shù)其他語言都沒有管程。

管程的特征

局部于管程的數(shù)據(jù)只能被局部于管程的過程所訪問

一個進程只有通過調(diào)用管程內(nèi)的過程，才能進入管程訪問共享數(shù)據(jù)

每次只允許一個進程在管程內(nèi)執(zhí)行某個內(nèi)部過程

死鎖

易混概念辨析

死鎖：各進程互相等待對方手里的資源，導(dǎo)致各進程都阻塞，無法向前推進（操作系統(tǒng)考慮）

饑餓：由于長期得不到想要的資源，某進程無法向前推進（操作系統(tǒng)考慮）

死循環(huán)：某進程執(zhí)行過程中一直跳不出某個循環(huán)，是可以上處理機運行的（開發(fā)人員考慮）

死鎖產(chǎn)生的必要條件

1、互斥條件

只有對必須互斥使用的資源的爭搶才會導(dǎo)致死鎖（如哲學(xué)家的筷子、打印機設(shè)備）。像內(nèi)存、揚聲器這樣可以同時讓多個進程使用的資源是不會導(dǎo)致死鎖的（因為進程不用阻塞等待這種資源）。

2、不剝奪條件

進程所獲得的資源在未使用完之前，不能由其他進程強行奪走，只能主動釋放。

3、請求和保持條件

進程已經(jīng)保持了至少一個資源，但又提出了新的資源請求，而該資源又被其他進程占有，此時請求進程被阻塞，但又對自己已有的資源保持不放。

4、循環(huán)等待條件

存在一種進程資源的循環(huán)等待鏈，鏈中的每一個進程已獲得的資源同時被下一個進程所請求。

什么時候會發(fā)生死鎖

1、對系統(tǒng)資源的競爭

各進程對不可剝奪的資源（如打印機）的競爭可能引起死鎖，對可剝奪的資源（CPU）的競爭是不會引起死鎖的。

2、進程推進順序非法

請求和釋放資源的順序不當(dāng)，也同樣會導(dǎo)致死鎖。例如，并發(fā)執(zhí)行的進程P1、P2 分別申請并占有R1、R2，之后進程P1申請R2，進程P2申請R1，兩者因為申請的資源被對方占有而阻塞，發(fā)生死鎖。

2、信號量的使用不當(dāng)

如生產(chǎn)者-消費者問題中，如果實現(xiàn)互斥的P操作在實現(xiàn)同步的P操作之前，就有可能導(dǎo)致死鎖。（可以把互斥信號量、同步信號量也看做是一種抽象的系統(tǒng)資源）

死鎖的處理策略

1、預(yù)防死鎖

破壞死鎖產(chǎn)生的四個必要條件中的一個或幾個。

（1）破壞互斥條件

方案

把只能互斥使用的資源改造為允許共享使用，則系統(tǒng)不會進入死鎖狀態(tài)。比如，操作系統(tǒng)可以采用 SPOOLing 技術(shù)把獨占設(shè)備在邏輯上改造成共享設(shè)備。

缺點：

并不是所有的資源都可以改造成可共享使用的資源。很多時候無法破壞互斥條件。

（2）破壞不剝奪條件

不剝奪條件

進程所獲得的資源在未使用完之前，不能由其他進程強行奪走，只能主動釋放。

方案

• 方案一：當(dāng)某個進程請求新的資源得不到滿足時，它必須立即釋放保持的所有資源，待以后需要時再重新申請。也就是說，即使某些資源尚未使用完，也需要主動釋放，從而破壞了不可剝奪條件。
• 方案二：當(dāng)某個進程需要的資源被其他進程所占有的時候，可以由操作系統(tǒng)協(xié)助，將想要的資源強行剝奪。這種方式一般需要考慮各進程的優(yōu)先級（比如：剝奪調(diào)度方式，就是將處理機資源強行剝奪給優(yōu)先級更高的進程使用）

缺點

實現(xiàn)起來比較復(fù)雜。

釋放已獲得的資源可能造成前一階段工作的失效，因此只適用于易保存和恢復(fù)狀態(tài)的資源，如CPU。

反復(fù)申請釋放資源，增加系統(tǒng)開銷，降低系統(tǒng)吞吐量。

方案一會導(dǎo)致進程饑餓。

（3）破壞請求和保持條件

請求和保持條件

進程已經(jīng)保持了至少一個資源，但又提出了新的資源請求，而該資源又被其他進程占有，此時請求進程被阻塞，但又對自己已有的資源保持不放。

方案

采用 靜態(tài)分配 方法，進程在運行前，一次申請完它需要的全部資源才能投入運行。一旦投入運行，一直保持資源，且不再請求別的任何資源，直到運行結(jié)束，釋放資源。

缺點

進程整個運行期間一直保持所有資源，造成資源浪費

可能導(dǎo)致某些進程饑餓（請求資源多的進程難以集齊所有資源）

（4）破壞循環(huán)等待條件

循環(huán)等待條件

存在一種進程資源的循環(huán)等待鏈，鏈中的每一個進程已獲得的資源同時被下一個進程所請求。

方案

順序資源分配法。首先給系統(tǒng)中的資源編號，規(guī)定每個進程必須按編號遞增的順序請求資源，同類資源（即編號相同的資源）一次申請完。

原理

一個進程只有已占有小編號的資源時，才有資格申請更大編號的資源。

• 任一時刻，總有一進程擁有的資源編號是最大的，此進程對其余資源的獲取必暢通無阻
• 已持有大編號資源的進程不可能逆向地回來申請小編號的資源，從而就不會產(chǎn)生循環(huán)等待的現(xiàn)象

缺點：

不方便增加新的設(shè)備，因為可能需要重新分配所有的編號；

進程實際使用資源的順序可能和編號遞增順序不一致，會導(dǎo)致資源浪費；

必須按規(guī)定次序申請資源，用戶編程不便。

2、避免死鎖

用某種方法防止系統(tǒng)進入不安全狀態(tài)，從而避免死鎖（銀行家算法）

銀行家算法

一個小城鎮(zhèn)的銀行家向一群客戶分別承諾了一定的貸款額度，只有當(dāng)借款總數(shù)達到客戶最大要求時，客戶才歸還貸款，否則無論之前借了多少錢，都拿不回來。

銀行家算法的步驟：

檢查此次申請是否超過之前聲明的最大需求數(shù)

檢查此時系統(tǒng)剩余可用資源是否還能滿足此次請求

試探分配，更各個改數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

用安全型算法檢查此次分配是否會導(dǎo)致系統(tǒng)進入不安全狀態(tài)

安全性算法的步驟：

檢查當(dāng)前剩余可用資源是否能滿足某個資源的最大需求，如果可以，就將該進程加入安全序列

等到這個進程執(zhí)行完畢就將它占有的全部資源回收

不斷重復(fù)上述過程，看看最終是否能讓所有進程都加入安全序列

安全序列

所謂的安全序列，就是指系統(tǒng)如果按照這種序列分配資源，則每個進程都能順利完成。只要能找出一個安全序列，系統(tǒng)就處于安全狀態(tài)。當(dāng)然，安全序列可以有多個。

一個 找不到 安全序列的例子：（剩余資源總數(shù) 3 3 2）可以拓展到有 n 個進程，m 種資源

進程最大需求已分配最多還需要

P0	8 5 3	0 1 0	8 4 3
P1	3 2 2	2 0 0	1 2 2
P2	9 5 2	3 0 2	6 5 0
P3	2 2 2	2 1 1	0 1 1
P4	4 3 6	0 0 2	4 3 4

3、死鎖的檢測和解除

允許死鎖的發(fā)生，不過操作系統(tǒng)會負責(zé)檢測出死鎖的發(fā)生，然后采取某種措施解除死鎖。

• 死鎖檢測算法：用于檢測系統(tǒng)狀態(tài)，以確定系統(tǒng)中是否發(fā)生了死鎖。
• 死鎖解除算法：當(dāng)認定系統(tǒng)中已經(jīng)發(fā)生了死鎖，利用該算法可將系統(tǒng)從死鎖狀態(tài)中解脫出來。

死鎖檢測思想：

依次消除與不阻塞進程相連的邊，直到無邊可消。

• 如果最終 能消除所有邊，就稱這個圖是可完全簡化的。此時一定沒有發(fā)生死鎖（即找到一個 安全序列）

• 如果最終 不能消除所有邊，那么此時就是 發(fā)生了死鎖。剩余連著邊的進程，就是處于死鎖狀態(tài)的進程。

死鎖檢測算法：

在資源分配圖中，找出既不阻塞又不是孤點的進程 Pi，消去它所有的請求邊和分配變，使之稱為孤立的結(jié)點。上圖中的 P1 是滿足這一條件的進程結(jié)點，于是將 P1 的所有邊消去。

進程 Pi 所釋放的資源，可以喚醒某些等待這些資源的阻塞進程，原來的阻塞進程可能變?yōu)榉亲枞M程（下圖 P2）。重復(fù)整個過程，若能消去途中所有的邊，則稱該圖是可完全簡化的。

解除死鎖方法：

資源剝奪法。掛起（暫時放到外存上）某些死鎖進程，并搶占它的資源，分配給其他的死鎖進程。

撤銷進程法（或稱終止進程法）。強制撤銷部分、甚至全部死鎖進程，并剝奪這些進程的資源。

進程回退法。讓一個 / 多個死鎖進程回退到足以避免死鎖的地步。要求系統(tǒng)要記錄進程的歷史信息，設(shè)置還原點。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统：第二章 进程管理3 - 进程同步与互斥的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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