死锁的四个必要条件以及处理策略

一、什么是死锁
死锁是指两个或两个以上的进程（线程）在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局。

例如，某计算机系统中只有一台打印机和一台输入设备，进程P1正占用输入设备，同时又提出使用打印机的请求，但此时打印机正被进程P2 所占用，而P2在未释放打印机之前，又提出请求使用正被P1占用着的输入设备。这样两个进程相互无休止地等待下去，均无法继续执行，此时两个进程陷入死锁状态。

关于死锁的一些结论：

参与死锁的进程数至少为两个；
参与死锁的所有进程均等待资源；
参与死锁的进程至少有两个已经占有资源；
死锁会浪费大量系统资源，甚至导致系统崩溃；

二、产生死锁的四个必要条件
1、互斥条件：
进程要求对所分配的资源（如打印机）进行排他性控制，即在一段时间内某资源仅为一个进程所占有。此时若有其他进程请求该资源，则请求进程只能等待。

2、不可剥夺条件:
进程所获得的资源在未使用完毕之前，不能被其他进程强行夺走，即只能由获得该资源的进程自己来释放（只能是主动释放)。

3、请求与保持条件：
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，链中每一个进程已获得的资源同时被链中下一个进程所请求。即存在一个处于等待状态的进程集合{Pl, P2, …, pn}，其中Pi等待的资源被P(i+1)占有（i=0, 1, …, n-1)，Pn等待的资源被P0占有，如图2-15所示。

以上这四个条件是死锁的必要条件，只要系统发生死锁，这些条件必然成立，而只要上述条件之一不满足，就不会发生死锁。

六、处理死锁的方法
预防死锁：通过设置某些限制条件，去破坏产生死锁的四个必要条件中的一个或几个条件，来防止死锁的发生。
避免死锁：在资源的动态分配过程中，用某种方法去防止系统进入不安全状态，从而避免死锁的发生。
检测死锁：允许系统在运行过程中发生死锁，但可设置检测机构及时检测死锁的发生，并采取适当措施加以清除。
解除死锁：当检测出死锁后，便采取适当措施将进程从死锁状态中解脱出来。

6.1 预防死锁
破坏“互斥”条件:
就是在系统里取消互斥。若资源不被一个进程独占使用，那么死锁是肯定不会发生的。但一般来说在所列的四个条件中，“互斥”条件是无法破坏的。

破坏“占有并等待”条件:
破坏“占有并等待”条件，就是在系统中不允许进程在已获得某种资源的情况下，申请其他资源。即要想出一个办法，阻止进程在持有资源的同时申请其他资源。
方法一：一次申请所需的全部资源，即 “ 一次性分配”。
方法二：要求每个进程提出新的资源申请前，释放它所占有的资源。即“先释放后申请”。

破坏“不可抢占”条件：
破坏“不可抢占”条件就是允许对资源实行抢夺。
方法一：占有某些资源的同时再请求被拒绝，则该进程必须释放已占有的资源，如果有必要，可再次请求这些资源和另外的资源。
方法二：设置进程优先级，优先级高的可以抢占资源。

破坏“循环等待”条件：
将系统中的所有资源统一编号，所有进程必须按照资源编号顺序提出申请。

6.2 避免死锁
加锁顺序：线程按照一定的顺序加锁。
加锁时限：线程尝试获取锁的时候加上一定的时限，超过时限则放弃对该锁的请求，并释放自己占有的锁。
死锁检测：每当一个线程获得了锁，会在线程和锁相关的数据结构中（map、graph等等）将其记下。除此之外，每当有线程请求锁，也需要记录在这个数据结构中。

6.3 检测死锁
一般来说，由于操作系统有并发，共享以及随机性等特点，通过预防和避免的手段达到排除死锁的目的是很困难的。这需要较大的系统开销，而且不能充分利用资源。为此，一种简便的方法是系统为进程分配资源时，不采取任何限制性措施，但是提供了检测和解脱死锁的手段：能发现死锁并从死锁状态中恢复出来。因此，在实际的操作系统中往往采用死锁的检测与恢复方法来排除死锁。

例如：
进程P1占有资源R1而申请资源R2，进程P2占有资源R2而申请资源R1，按循环等待条件，进程和资源形成了环路，所以系统是死锁状态。进程P1，P2是参与死锁的进程。
下面我们再来看一看死锁检测算法。算法使用的数据结构是如下这些：
占有矩阵A：n*m阶，其中n表示并发进程的个数，m表示系统的各类资源的个数，这个矩阵记录了每一个进程当前占有各个资源类中资源的个数。
申请矩阵R：n*m阶，其中n表示并发进程的个数，m表示系统的各类资源的个数，这个矩阵记录了每一个进程当前要完成工作需要申请的各个资源类中资源的个数。
空闲向量T：记录当前m个资源类中空闲资源的个数。
完成向量F：布尔型向量值为真（true）或假（false），记录当前n个并发进程能否进行完。为真即能进行完，为假则不能进行完。
临时向量W：开始时W：=T。
算法步骤：
（1）W：=T，
对于所有的i=1，2，…，n，
如果A[i]=0，则F[i]：=true；否则，F[i]：=false
（2）找满足下面条件的下标i：
F[i]：=false并且R[i]〈=W
如果不存在满足上面的条件i，则转到步骤（4）。
（3）W：=W+A[i]
F[i]：=true
转到步骤（2）
（4）如果存在i，F[i]：=false，则系统处于死锁状态，且Pi进程参与了死锁。什么时候进行死锁的检测取决于死锁发生的频率。如果死锁发生的频率高，那么死锁检测的频率也要相应提高，这样一方面可以提高系统资源的利用率，一方面可以避免更多的进程卷入死锁。如果进程申请资源不能满足就立刻进行检测，那么每当死锁形成时即能被发现，这和死锁避免的算法相近，只是系统的开销较大。为了减小死锁检测带来的系统开销，一般采取每隔一段时间进行一次死锁检测，或者在CPU的利用率降低到某一数值时，进行死锁的检测。

6.4 解除死锁
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。但应防止被挂起的进程长时间得不到资源，而处于资源匮乏的状态。
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。
进程回退法：让一（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不是被剥夺。要求系统保持进程的历史信息，设置还原点。

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