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add 2.8 解决死锁的方法

Author: zhengjianda

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 注意，只有四个条件同时成立时，死锁才会出现。
 
+### 2.8 解决死锁的方法
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+#### 那么解决死锁的方法是什么呢？
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+解决死锁的方法可以从多个角度去分析，一般的情况下，有**预防，避免，检测和解除四种**。
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+- **预防** 是采用某种策略，**限制并发进程对资源的请求**，从而使得死锁的必要条件在系统执行的任何时间上都不满足。
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+- **避免**则是系统在分配资源时，根据资源的使用情况**提前做出预测**，从而**避免死锁的发生**
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+- **检测**是指系统设有**专门的机构**，当死锁发生时，该机构能够检测死锁的发生，并精确地确定与死锁有关的进程和资源。
+- **解除** 是与检测相配套的一种措施，用于**将进程从死锁状态下解脱出来**。
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+#### 死锁的预防
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+死锁四大必要条件上面都已经列出来了，很显然，`只要破坏四个必要条件中的任何一个就能够预防死锁的发生`。
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+破坏第一个条件 **互斥条件**：使得资源是可以同时访问的，这是种简单的方法，磁盘就可以用这种方法管理，但是我们要知道，有很多资源**往往是不能同时访问的**，所以这种做法在大多数的场合是行不通的。
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+破坏第三个条件**非抢占**：也就是说可以采用**剥夺式**调度算法，但剥夺调度方法目前一般仅适用于**主存资源**和**处理器资源**的分配，并不适用于所以的资源，会导致**资源利用率下降**。
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+所以一般比较实用的**预防死锁的方法**，是通过考虑破坏第二个条件和第四个条件。
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+- **静态分配策略**：所谓静态分配策略，就是指一个进程必须在执行前就申请到**它所需要的全部资源**，并且知道它所要的资源都得到满足之后才开始执行。这种做法破坏了死锁产生的第二个条件**占有并等待**，进程要么占有所有的资源然后开始执行，要么不占有资源，不会出现占有一些资源等待一些资源的情况。
+  静态分配策略逻辑简单，实现也很容易，但这种策略**严重地降低了资源利用率**，因为在每个进程所占有的资源中，有些资源是在比较靠后的执行时间里采用的，甚至有些资源是在**额外的情况**下才是用的，这样就可能造成了一个进程占有了一些**几乎不用的资源而使其他需要该资源的进程产生等待**的情况。
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+- **层次分配策略**：层次分配策略破坏了产生死锁的第四个条件(**循环等待**)。在层次分配策略下，所有的资源被分成了多个层次，一个进程得到某一次的一个资源后，**它只能再申请较高一层的资源**；当一个进程要释放某层的一个资源时，必须先释放所占用的**较高层的资源**，按这种策略，是不可能出现**循环等待链的**，因为那样的话，就出现了已经申请了较高层的资源，反而去申请了较低层的资源，不符合**层次分配策略**，证明略。
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+#### 死锁的避免
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+上面提到的**破坏**死锁产生的四个必要条件之一就可以成功**预防系统发生死锁**，但是会导致**低效的进程运行**和**资源使用率**。而死锁的避免相反，它的角度是允许系统中**同时存在四个必要条件**，只要掌握并发进程中与每个进程有关的资源动态申请情况，做出**明智和合理的选择**，仍然可以避免死锁，因为四大条件仅仅是产生死锁的必要条件。
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+我们将系统的状态分为**安全状态**和**不安全状态**，每当在未申请者分配资源前先测试系统状态，若把系统资源分配给申请者会产生死锁，则拒绝分配，否则接受申请，并为它分配资源。
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+`安全状态`：如果操作系统能够保证**所有的进程在有限的时间内得到需要的全部资源**，则称系统处于安全状态，否则说系统是不安全的。很显然，`系统处于安全状态则不会发生死锁，系统若处于不安全状态则可能发生死锁`。
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+那么如何保证系统保持在安全状态呢？通过算法，其中最具有代表性的**避免死锁算法**就是Dijkstra的银行家算法，银行家算法用一句话表达就是，“当一个进程申请使用资源的时候，**银行家算法**通过先**试探**分配给该进程资源，然后通过**安全性算法**判断分配后系统是否处于安全状态，若不安全则试探分配作废，让该进程继续等待，若能够进入到安全的状态，则就**真的分配资源给该进程**”。
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+银行家算法详情可见[(41条消息) 一句话+一张图说清楚——银行家算法_土豆洋芋山药蛋的博客-CSDN博客_银行家算法](https://blog.csdn.net/qq_33414271/article/details/80245715)
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+操作系统教程树中讲述的银行家算法也比较清晰，可以一看.
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+死锁的避免(银行家算法)改善解决了**资源使用率低的问题**，但是它要不断地检测每个进程对各类资源的占用和申请情况，以及做**安全性检查**，需要花费较多的时间。
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+#### 死锁的检测
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+对资源的分配加以限制可以**预防和避免**死锁的发生，但是都不利于各进程对系统资源的**充分共享**。解决死锁问题的另一条途径是**死锁检测和解除**(这里突然联想到了乐观锁和悲观锁，感觉死锁的检测和解除就像是**乐观锁**，分配资源时不去提前管会不会发生死锁了，等到真的死锁出现了再来解决嘛，而**死锁的预防和避免**更像是悲观锁，总是觉得死锁会出现，所以在分配资源的时候就很谨慎)。
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+这种方法对资源的分配不加以任何限制，也不采取死锁避免措施，但系统**定时地运行一个 “死锁检测”**的程序，判断系统内是否出现死锁，如果检测到系统发生了死锁，再采取措施去解除它。
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+##### 进程-资源分配图
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+操作系统中的每一刻时刻的**系统状态**都可以用**进程-资源分配图**来表示，进程-资源分配图是描述进程和资源申请及分配关系的一种有向图，可用于**检测系统是否处于死锁状态**。
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+用一个方框表示每一个资源类，方框中的黑点表示该资源类中的各个资源，每个键进程用一个圆圈表示，用**有向边**来表示**进程申请资源和资源被分配的情况**。约定$P_{i} \rightarrow R_{j}$为请求边，表示线程$P_{i}$申请资源类$R_{j}$中的一个资源**得不到满足**而处于等待$R_{j}$类资源的状态，该有向边从进程开始指到方框的边缘，表示进程$P_{i}$申请$R_{j}$类中的一个资源。反之，$R_{j}\rightarrow P_{i}$为**分配边**，表示R的一个资源分配给了P。
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+图中2-21是**进程-资源分配图**的一个例子，其中公有三个资源类，每个进程的资源占有和申请情况已清楚地表示在图中。在这个例子中，由于存在**占有和等待资源的环路**，导致一组进程永远处于等待资源的状态，**发生了死锁**。
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+进程-资源分配图中存在环路**并不一定是**发生了死锁。因为循环等待资源仅仅是死锁发生的必要条件，而不是充分条件。图2-22便是一个有环路而无死锁的例子。虽然进程P1和进程P3分别占用了一个资源R1和一个资源R2，并且因为等待另一个资源R2和另一个资源R1形成了环路，但进程P2和进程P4分别占有了一个资源R1和一个资源R2，它们申请的资源得到了满足，在有限的时间里会归还资源，于是进程P1或P3都能获得另一个所需的资源，环路自动解除，系统也就不存在死锁状态了。
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+##### 死锁检测步骤：
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+知道了死锁检测的原理，我们可以利用下列步骤编写一个**死锁检测**程序，检测系统是否产生了死锁。
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+1) 如果进程-资源分配图中无环路，则此时系统没有发生死锁
+2) 如果进程-资源分配图中有环路，且每个资源类仅有一个资源，则系统中已经发生了死锁。
+3) 如果进程-资源分配图中有环路，且涉及到的资源类有多个资源，此时系统未必会发生死锁。如果能在进程-资源分配图中找出一个**既不阻塞又非独立的进程**，该进程能够在有限的时间内归还占有的资源，也就是把边给消除掉了，重复此过程，直到能在有限的时间内**消除所有的边**，则不会发生死锁，否则会发生死锁。(消除边的过程类似于**拓扑排序**)
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+#### 死锁的解除
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+当死锁检测程序检测到**存在死锁发生时**，应设法让其解除，让系统从死锁状态中恢复过来，常用的解除死锁的方法有以下四种：
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+1. **立即结束所有进程的执行，重新启动操作系统**
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+   这种方法简单，但以前所在的工作全部作废，损失很大。
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+2. **撤销涉及死锁的所有进程**，解除死锁后继续运行
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+   这种方法能彻底打破**死锁的循环等待**条件，但将付出很大代价，例如有些进程可能已经计算了很长时间，由于被撤销而使产生的部分结果也被消除了，再重新执行时还要再次进行计算。
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+3. 逐个撤销涉及死锁的进程，回收其资源直至死锁解除。
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+4. 抢占资源：从涉及死锁的**一个或几个进程**中抢占资源，把夺得的资源再分配给涉及死锁的进程直至死锁解除。
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 ## 三 操作系统内存管理基础
 
 ### 3.1 内存管理介绍