死锁银行家算法

2019/8/13山东农业大学计算机系1第3章处理机调度与死锁一．处理机调度相关基本概念二．常用调度算法三．实时调度四．产生死锁的原因和必要条件五．预防死锁的方法六．死锁的检测与解除2019/8/13山东农业大学计算机系2关于死锁多道程序系统借助并发执行改善资源利用率，提高系统吞吐量，但可能发生一种危险——死锁。死锁（Deadlock）：指多个进程在运行过程中，因争夺资源而造成的一种僵局。当进程处于这种状态时，若无外力作用，它们都将无法再向前推进。2019/8/13山东农业大学计算机系3找原因分析形成条件根据分析，找出处理死锁的方法四、产生死锁的原因和必要条件2019/8/13山东农业大学计算机系4例：使用信号量造成死锁的典型P1P2wait（D）wait（E）wait（E）wait（D）signal（D）signal（E）signal（E）signal（D）死锁发生：双方都拥有部分资源，同时在请求对方已占有的资源。请求推进的次序与对非剥夺性资源的争用都是造成死锁的原因。2019/8/13山东农业大学计算机系5产生死锁的原因可归结为如下两点：1.竞争资源。系统中供多个进程共享的资源如打印机、公用队列等的数目不满足需要时，会引起资源竞争而产生死锁。2.进程间推进顺序非法。进程在运行过程中，请求和释放资源的顺序不当，同样会导致死锁。2019/8/13山东农业大学计算机系61、竞争资源引起进程死锁可把系统中的资源分为两类：可剥夺和非剥夺性资源可剥夺性资源：分配给进程后可以被高优先级的进程剥夺。如CPU和主存。不可剥夺性资源：分配给进程后只能在进程用完后释放。如磁带机、打印机等。永久性资源和临时性资源永久性：打印机。可顺序重复使用临时性：进程产生被其他进程短暂使用的资源，如数据资源：“生产者/消费者”算法中的信号量。。它可能引起死锁。2019/8/13山东农业大学计算机系72、进程推进顺序不当引起死锁进程在运行中具有异步性特征，多个进程按向前推进的顺序有两种情况：1)推进顺序合法2)推进顺序非法2019/8/13山东农业大学计算机系83、产生死锁的必要条件形成死锁的四个必要条件（四个条件都具备就会死锁，缺一就不会死锁）2019/8/13山东农业大学计算机系9①互斥条件：进程对所分配到的资源进行排他性使用②请求和保持条件：进程已经保持了至少一个资源，又提出新的资源请求，而新请求资源被其他进程占有只能造成自身进程阻塞，但对自己已获得的其他资源保持不放，必然影响其他进程。③不剥夺条件：进程已获得的资源未使用完之前不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。④环路等待条件破坏这4个条件即是处理死锁的方法2019/8/13山东农业大学计算机系10如哲学家就餐问题的一种写法，wait（mutex）wait（left）wait（right）signal(mutex)signal(left)signal(left)会死锁么？2019/8/13山东农业大学计算机系114、处理死锁的基本方法事先预防：①预防死锁设置限制条件，破坏四个必要条件的一个或几个，预防发生死锁。较易实现。限制条件的严格也会导致系统资源利用率和系统吞吐量降低。②避免死锁不须事先限制，破坏四个必要条件，而是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，从而避免发生死锁。这种事先加以较弱限制的方法，实现上有一定难度，但可获较高的资源利用率及系统吞吐量，目前在较完善的系统中，常用此方法来避免发生死锁。2019/8/13山东农业大学计算机系12事后处理：③检测死锁。允许系统运行过程中发生死锁，但通过系统检测机构可及时的检测出，能精确确定与死锁有关的进程和资源；然后采取适当的措施，从系统中将已发生的死锁清除掉。④解除死锁。与死锁检测配套的一种措施。常用的实施方法：撤销或挂起一些进程，以便回收一些资源并将他们分配给已阻塞进程，使之转为就绪以继续运行。死锁的检测与解除措施，有可能使系统获得较好的资源利用率和吞吐量（死锁几率不一定很高），但在实现上难度也最大。2019/8/13山东农业大学计算机系13第3章处理机调度与死锁一．处理机调度相关基本概念二．常用调度算法三．实时调度四．产生死锁的原因和必要条件五．预防死锁的方法六．死锁的检测与解除2019/8/13山东农业大学计算机系14五、预防死锁的方法1.预防死锁资源的排他性无法更改，故在其他3个条件上入手①摒弃“请求和保持”条件：所有进程开始运行前，必须一次性的申请其在整个运行过程所需的全部资源（AND）。算法简单、易于实现且很安全。但缺点是资源浪费严重、或进程延迟运行。②摒弃“不剥夺”条件：允许进程先运行，但当提出的新要求不被满足时必须释放它已保持的所有资源，待以后需要时再重新申请。实现比较复杂且付出很大代价。可能会造成前功尽弃，反复申请和释放等情况。2019/8/13山东农业大学计算机系15③摒弃“环路等待”条件有序设置资源：将所有资源按类型进行线性排队，赋予不同序号。所有进程对资源的请求必须严格按照资源序号递增的次序提出，这样在所形成的资源分配图中，不可能会出现环路。与前两种策略比较，资源利用率和系统吞吐量都有较明显的改善。但也存在严重问题：资源编号限制新设备的增加；应用中的使用设备顺序与规定的顺序并不协调；限制了用户编程自由。2019/8/13山东农业大学计算机系162.避免死锁上述方法限制条件都太强；造成一定的应用不便。采用避免死锁的方法则是只施加较弱限制条件，从而获得令人满意的系统性能。名词：安全状态：系统能按某种进程顺序为每个进程分配所需资源，直至满足每个进程对资源的最大需求，并能顺利完成。不安全状态：系统无法找到一种使多个进程能够顺利分配资源执行完的安全序列。2019/8/13山东农业大学计算机系17*安全状态、安全序列举例假定三个进程A、B和C，共有12台磁带机。假设t0时刻，磁带机资源分配情况如下表所示，此时系统是否处于安全状态？进程最大需求已分配还需可用A10553B422C927是安全的，因为存在一个安全序列B,A,C只要系统按此进程序列分配资源，就能使每个进程都顺利完成。2019/8/13山东农业大学计算机系18*由安全状态向不安全状态的转换每次资源分配时，都应分析判断资源分配图，看该次操作后是否有安全序列。若没有，说明该操作会使系统进入不安全状态。只要使系统始终处于安全状态，便可避免发生死锁。不是所有的不安全状态都是死锁状态。2019/8/13山东农业大学计算机系193.银行家算法避免死锁最有代表性的避免死锁的算法，是Dijkstra的银行家算法。由于该算法能用于银行系统现金贷款的发放而得名。【思路描述】：随时对系统中的所有资源信息进行统计，包括每种资源的数量、已分配给各进程的数量；每当进程提出某种资源请求时判断该请求分配后是否安全，如果安全才分配。对每个资源请求的处理都要保证系统始终从一个安全状态到另一个安全状态。2019/8/13山东农业大学计算机系20银行家算法应用之例假定系统中有五个进程{P0,P1,P2,P3,P4}和三类资源{A,B,C}，各种资源的数量分别为10、5、7，在T0时刻的资源分配情况如图所示。431002433P4011211222P3600302902P2122200322P1332743010753P0AvailableABCNeedABCAllocationABCMaxABC资源情况进程2019/8/13山东农业大学计算机系21计算举例：当前T0时刻是否安全？利用安全性算法在下表找一个安全序列{P1,P3,P4,P2,P0}，故是安全的。（最后检查应是资源释放完后又回到10、5、7）431002433P4011211222P3600302902P2122200322P1332743010753P0AvailableABCNeedABCAllocationABCMaxABC资源情况进程532743745104710572019/8/13山东农业大学计算机系22找安全序列的计算过程表True10570107431047P0True1047302600745P2True745002431743P4True743211011532P3True532200122332P1FinishWork+AllocationABCAllocationABCNeedABCWorkABC资源情况进程2019/8/13山东农业大学计算机系23（1）T0时刻的初始状态是安全的；（2）下面出现P1请求资源的操作，具体请求向量为Request1(1,0,2)，利用银行家算法进行检查该操作是否是安全可行的：1）两个基本判断Request1(1,0,2)=Need1(1,2,2)Request1(1,0,2)=Available1(3,3,2)2）先假设为P1分配资源，并修改Available,Allocation1和Need1向量。2019/8/13山东农业大学计算机系243）Request1(1,0,2)后新的资源状态表下再判断新资源状态是否是安全的。找到一个安全序列{P1,P3,P4,P0,P2}，因此系统是安全的，该请求是安全的，可将假设真正实施，将P1所申请的资源分配给它。True1057302600755P2True755010743745P0True745002431743P4True743211011532P3True532302020230P1FinishWork+AllocationABCAllocationABCNeedABCWorkABC资源情况进程200+102122—102332—1022019/8/13山东农业大学计算机系25问：P4发出请求向量Request4(3,3,0)，可否分配资源？1）Request4(3,3,0)=Need4(4,3,1);2）Request4(3,3,0)=Available(2,3,0),P4等待问：P0发出请求向量Request0(0,2,0)，可否分配资源？1）Request0(0,2,0)=Need0(7,4,3);2）Request0(0,2,0)=Available(2,3,0)；3）系统暂时先假定可为P0分配资源，并修改有关数据，见下表：431002P4011211P3600302P2020302P1210723030P0AvailableABCNeedABCAllocationABC资源情况进程Available(2,1,0)不能满足任何finish=false进程的需求，如果分配会使系统进入不安全状态，所以不能分配资源。如果把P0发出的请求向量改为Request0(0,1,0),系统是否能将资源分配给它，大家考虑。7332200202019/8/13山东农业大学计算机系26算法实现说明算法实现:首先：需要的一些数据结构再次：算法过程核心：安全性判断算法2019/8/13山东农业大学计算机系271）银行家算法中的数据结构（1）各类可利用资源的数量向量Available：（i1，i2，…，im），含m个元素，每个元素代表一类可利用的资源数目。动态变化的，初始值是系统配置的该类资源的全部数目，值随资源的分配与回收而动态的改变。实现：一维数组。Available【j】=K，表示系统中Rj类资源现有可用数量为K个。m类资源，n个并发进程对其产生需求2019/8/13山东农业大学计算机系28（2）每个进程对每类资源的需求最大需求、已获得的、还需要的最大需求矩阵Maxn*m，系统中n个进程中每个进程分别对m类资源的最大需求。取值：根据进程需求赋初始值。实现：二维数组。Max【i，j】=K，表示进程i需要Rj类资源的最大数目为K。2019/8/13山东农业大学计算机系29②已分配矩阵Allocation。n*m，定义系统中每一进程已获得的每类资源数量。Allocation【i，j】=K，表示进程i当前已分得Rj类资源数为K。③还需求的矩阵