死锁避免策略实验：广东工业大学操作系统实践


参考资源链接：[广东工业大学 操作系统四个实验（报告+代码）](https://wenku.csdn.net/doc/6412b6b0be7fbd1778d47a07?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 死锁理论基础与避免策略概述

## 1.1 死锁的基本概念
在计算机系统中，死锁（Deadlock）是指两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种僵局。进程永久性地阻塞，无法向前推进。理解死锁的形成和避免策略对于系统稳定运行至关重要。

## 1.2 死锁的必要条件
死锁的发生通常需要满足四个必要条件：互斥条件、占有且等待条件、不可剥夺条件和循环等待条件。这些条件相互作用，共同导致死锁。

## 1.3 死锁预防与避免
死锁的预防策略包括资源预分配和资源有序分配等方法，旨在破坏死锁的必要条件。而死锁避免策略则涉及对资源分配的动态检测，确保系统不会进入不安全状态。

通过本章的学习，读者将对死锁有一个全面的了解，并为掌握后续章节的死锁避免和管理方法打下坚实的理论基础。

# 2. 死锁的定义和条件

### 死锁的必要条件

在多线程或分布式计算环境中，死锁是一类常见的问题，其主要描述了这样一种情况：一个进程集合中的每个进程都在等待另一个进程所占有的资源。在没有外力作用的情况下，这些进程永远无法向前推进。

死锁的发生依赖于四个必要条件，它们是：
1. **互斥条件**：资源不能被多个进程共享，只能由一个进程占有。
2. **占有和等待条件**：一个进程至少占有一个资源，并且该进程正在等待获取其他进程占有的额外资源。
3. **非抢占条件**：资源只能由占有它的进程主动释放，不能被其他进程强制剥夺。
4. **循环等待条件**：存在一种进程资源的循环链，每个进程都占有下一个进程所需要的至少一种资源。

以上四个条件必须同时满足才能发生死锁。为了有效避免死锁，我们可以破坏这四个条件中的任意一个。例如，如果资源可以被抢占，则进程可能会在等待其他资源时释放已经占有的资源，从而避免死锁。在操作系统设计时，通过控制资源的分配和调度机制，可以在一定程度上破坏这些条件。

### 死锁产生的原因分析

死锁的产生通常由几个因素共同作用的结果。首先，设计不当的资源分配策略是导致死锁的常见原因。如果系统对资源请求和释放顺序没有进行合理管理，可能会造成进程间循环等待资源的情况。

其次，资源的不适当分配和管理也是导致死锁的一个重要原因。在资源有限的情况下，如果进程无限制地请求资源，会导致系统资源耗尽，从而引发死锁。

最后，进程的不正确同步也会造成死锁。例如，两个或多个进程以不同的顺序请求相同的资源，如果系统没有正确处理这些请求，可能会导致进程相互等待对方释放资源，从而产生死锁。

为了避免死锁，操作系统的资源管理机制需要同时考虑资源的种类、数量以及进程的行为，并实施相应的策略来预防或解决可能发生的死锁问题。

## 死锁避免策略理论

### 银行家算法

银行家算法是一种预防死锁的著名算法，其名称来源于算法思想的类比：就像银行家不会借给客户超过其偿还能力的钱一样，操作系统也不会分配给进程超过可用资源的资源。银行家算法的核心是避免系统进入不安全状态，因为从不安全状态出发，有可能会导致死锁。

在实施银行家算法时，操作系统会维护几个数据结构，其中包括了每个进程的最大需求矩阵、已分配资源矩阵、可用资源矩阵等。当一个进程请求资源时，系统先执行一次安全性检查算法，以确定在分配这些资源后，系统是否还能处于安全状态。只有当系统能保持安全状态时，才会批准进程的资源请求。否则，进程将被阻塞，直到系统能够再次确保安全性。

### 资源分配图分析

资源分配图是分析系统中进程和资源分配关系的图形化工具，它可以帮助我们理解系统资源的分配状态，从而判断是否存在死锁的风险。

资源分配图中包含两个基本元素：节点和边。节点代表进程和资源类型，边代表请求和分配关系。如果一个进程节点向一个资源节点画一条边表示请求关系，资源节点向进程节点画一条边表示分配关系。当图中出现了循环等待的闭合环时，系统就有可能处于死锁状态。

在实际应用中，通过分析资源分配图的状态，可以采取不同的策略来预防死锁。例如，可以通过重新安排进程的资源请求顺序，或是释放某些资源，来打破潜在的循环等待环。

### 其他死锁预防方法

除了银行家算法和资源分配图之外，还有其他多种策略可以用来预防死锁。一种常见的方法是资源有序分配法，即预先定义资源的分配顺序，并要求所有进程按照这个顺序请求资源，这样可以有效地避免循环等待的产生。

另外，还有资源抢占策略，允许操作系统从进程中抢占资源。在抢占策略下，操作系统可以强制从某个进程中回收资源，分配给其他进程使用。这种方法可能需要额外的进程同步机制，以确保被抢占的进程在恢复执行时，不会出现数据一致性问题。

此外，还可以采用资源限制和资源排队等策略，通过限制进程可以请求的资源数量和顺序，来减少死锁的可能性。

## 死锁检测与恢复机制

### 死锁检测算法

死锁检测机制用于监控系统资源的分配情况，并判断系统是否已经陷入死锁状态。一旦检测到死锁，死锁恢复机制将启动，以解除死锁状态。

一种常用的死锁检测算法是“定时检查法”，该方法定期运行一个死锁检测程序，分析资源分配图以查找循环等待的情况。此外，还有基于等待图的方法，该方法构建一个进程间的等待关系图，并检查是否形成了循环等待。

当一个死锁检测算法确定系统已经处于死锁状态时，就需要采取措施来解除死锁。这可能包括终止进程、抢占资源等操作，具体的处理策略取决于系统的具体设计和资源的性质。

### 死锁恢复策略

死锁恢复策略是死锁管理的最后手段，目的是使系统从死锁状态中恢复出来，并继续正常运行。常用的恢复策略包括进程终止和资源抢占。

进程终止是最直接的恢复策略，它可以是逐个终止死锁进程，也可以是同时终止多个进程。在终止进程时，需要考虑进程的重要性、已执行的时间等因素。通常会优先终止那些对系统影响最小的进程，或者是已经运行时间最长的进程。

资源抢占则是通过暂时剥夺某些进程的资源，来解决死锁问题。在实施资源抢占时，系统必须保证在资源释放后，进程的状态能够恢复到一致性和正确性。这就需要有额外的机制来保存和恢复进程的状态，增加了系统的复杂性。

通过上述的死锁避免策略理论和实际的死锁检测与恢复机制，我们可以设计出一套有效的死锁管理方案，确保在多任务环境中系统的稳定性和效率。这些策略在操作系统和分布式计算系统的资源管理中扮演着关键角色。

# 3. 操作系统死锁避免的实验设计

## 3.1 实验环境与工具准备

### 3.1.1 操作系统选择与配置

为了确保实验的一致性和可重复性，需要选择一个稳定的开发和实验环境。对于操作系统死锁避免实验，Linux 发行版（如 Ubunt