1. 死锁
1.1 死锁概念
在并发环境下，各进程因竞争资源而造成的一种互相等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，都无法向前推 进的现象，就是“死锁”。 发生死锁后若无外力干涉，这些进程都将无法向前推进。
1.2 死锁、饥饿、死循环区别
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。
| 共同点 | 区别 | |
|---|---|---|
| 死锁 | 都是进程无 法顺利向前 推进的现象 （故意设计 的死循环除 外） | 死锁一定是“循环等待对方手里的资源”导致的，因此如果有死锁现象，那至少有两个或两个以上的进程同时发生死锁。另外，发生死锁的进程一定处于阻塞态。 |
| 饥饿 | 可能只有一个进程发生饥饿。发生饥饿的进程既可能是阻塞态(如长期得不到 需要的I/O设备)，也可能是就绪态(长期得不到处理机) | |
| 死循环 | 可能只有一个进程发生死循环。死循环的进程可以上处理机运行（可以是运行态），只不过无法像期待的那样顺利推进。死锁和饥饿问题是由于操作系统分配资源的策略不合理导致的，而死循环是由代码逻辑的错误导致的。死锁和饥饿是管理者（操作系统）的问题，死循环是被管理者的问题。 |
1.3 死锁产生条件
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）
如果同类资源数大于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
一个，那循环等待就是死锁的充分必要条件了。
1.4 什么时候会产生死锁
- 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P操作之前，就有可能导致死锁。（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源）
1.5 死锁的处理
1.5.1 死锁的预防
1.5.1.1 破坏互斥条件
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。
如果把只能互斥使用的资源改造为允许共享使用，则系统不会进入死锁状态。比如: SPOOLing技术。 操作系统可以采用 SPOOLing技术把独占设备在逻辑上改造成共享设备。比如，用SPOOLing技术将打 印机改造为共享设备…
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。
1.5.1.2 破坏不剥夺条件
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。
破坏不剥夺条件：
方案一：当某个进程请求新的资源得不到满足时，它必须立即释放保持的所有资源，待以后需要时再重新申请。也就是说，即使某些资源尚未使用完，也需要主动释放，从而破坏了不可剥夺条件。
方案二：当某个进程需要的资源被其他进程所占有的时候，可以由操作系统协助，将想要的资源强行剥夺。这种方式一般需要考虑各进程的优先级（比如：剥夺调度方式，就是将处理机资源强行剥夺给优先级更高的进程使用）
该策略的缺点：
- 实现起来比较复杂。
- 释放己获得的资源可能造成前一阶段工作的失效。因此这种方法一般只适用于易保存和恢复状态的资源，如CPU。
- 反复地申请和释放资源会增加系统开销，降低系统吞吐量。
- 若采用方案一，意味着只要暂时得不到某个资源，之前获得的那些资源就都需要放弃，以后再重
新申请。如果一直发生这样的情况，就会导致进程饥饿。
1.5.1.3 破坏请求和保持条件
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。
可以采用静态分配方法，即进程在运行前一次申请完它所需要的全部资源，在它的资源未满足前，不让它投入运行。一旦投入运行后，这些资源就一直归它所有，该进程就不会再请求别的任何资源 了。
该策略实现起来简单，但也有明显的缺点： 有些资源可能只需要用很短的时间，因此如果进程的整个运行期间都一直保持着所有资源，就会造成严重的资源浪费，资源利用率极低。另外，该策略也有可能导致某些进程饥饿。
1.5.1.4 破坏循环等待条件
循环等待条件：存在一种进程资源的循环等待链，链中的每一个进程己获得的资源同时被下一个进程所请求。
可采用顺序资源分配法。首先给系统中的资源编号，规定每个进程必须按编号递增的顺序请求资源，同类资源（即编号相同的资源）一次申请完。
原理分析：一个进程只有己占有小编号的资源时，才有资格申请更大编号的资源。按此规则，己持有大编号资源的进程不可能逆向地回来申请小编号的资源，从而就不会产生循环等待的现象。
在任何一个时刻，总有一个进程拥有的资源编号是最大的，那这个进程申请之后的资源必然畅通无阻。因此，不可能出现所 有进程都阻塞的死锁现象
该策略的缺点：
- 不方便增加新的设备，因为可能 需要重新分配所有的编号；
- 进程实际使用资源的顺序可能和编号递增顺序不一致，会导致资源 浪费；
- 必须按规定次序申请资源，用户编程麻烦。
1.5.1.5 小结
1.5.2 死锁的避免
1.5.2.1 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。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”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就态有，安就全可序能列发 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。
1.5.2.1 银行家算法
银行家算法中的数据结构
(1).可利用资源向量Available
(2).最大需求矩阵Max
(3).分配矩阵Allocation
(4).需求矩阵Need
(5).Request请求向量
假设系统中有 n 个进程，m 种资源，每个进程在运行前先声明对各种资源的最大需求数， 则可用一个 nm 的矩阵（可用二维数组实现）表示所 有进程对各种资源的最大需求数。不妨称为最大需求 矩阵 Max，Max[i, j]=K 表示进程 Pi 最多需要 K 个资源 Rj。同理，系统可以用一个 nm 的分配矩阵 Allocation 表示对所有进程的资源分配情况。Max – Allocation = Need 矩阵，表示各进程最多还需要多少各类资源。 另外，还要用一个长度为m的一维数组Available表示当前系统中还有多少可用资源。某进程Pi向系统申请资源，可用一个长度为m的一维数组 Request表示本次请求的各种资源量
银行家算法
- 如果Request[i] <= Need[i][j]转下步，否则它所需要的资源数已超过它所需要的最大值
- 如果Request[i] <= Available[i][j]转下步，否则尚无足够资源，进程需等待
- 系统试分配给进程p,并修改Available,Allocation和Need
Available[j] -= Request[j]
Allocation[i][j] += Request[j]
Need[i][j] -= Request[j] - 系统执行安全性算法，检查此次资源分配后系统是否处于安全状态.若安全，才正式分配；否则恢复原来的分配状态，让该进程等待
1.5.3 死锁的检测与解除
如果系统中既不采取预防死锁的措施，也不采取避免死锁的措施，系统就很可能发生死锁。在这种
情况下，系统应当提供两个算法：
死锁检测算法：用于检测系统状态，以确定系统中是否发生了死锁。
死锁解除算法：当认定系统中己经发生了死锁，利用该算法可将系统从死锁状态中解脱出来。
1.5.3.1 死锁的检测
检测死锁的算法：
1）在资源分配图中，找出既不阻塞又不是孤点的进程 Pi（即找出一条有向边与它相连，且该有 向边对应资源的申请数量小于等于系统中己有空闲资源数量。如下图中，R1没有空闲资源，R2有
一个空闲资源。若所有的连接该进程的边均满足上述条件，则这个进程能继续运行直至完成，然 后释放它所占有的所有资源）。消去它所有的请求边和分配变，使之称为孤立的结点。
2）进程 Pi 所释放的资源，可以唤醒某些因等待这些资源而阻塞的进程，原来的阻塞进程可能变 为非阻塞进程。根据 1）中的方法进行一系列简化后，若能消去途中所有的边，则称该图是可完全简化的。
死锁定理：如果某时刻系统的资源分配图是不可完全简化的，那么此时系统死锁
1.5.3.2 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。挂起（暂时放到外存上）某些死锁进程，并抢占百的资源，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。因为有些进程可能己经运行了很长时间，己经接近结束了，一旦被终止可谓功亏一宴，以后还得从头再来。
- 进程回返法。“一个或多个死锁进程回返到足以避免死锁的地步。这就要求系统要记录进程历史信息，设置还原点。
1.5.3.3 小结
