【死锁】：操作系统中的死锁问题与OSDI第三版的解决方案


参考资源链接：[《操作系统设计与实现(第3版)》PDF完整版：MINIX3详解与教学经典](https://wenku.csdn.net/doc/4jdxtguifz?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 死锁的概念和产生条件

在多任务操作系统中，死锁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。当进程处于这种状态时，如果没有外部干预，它们将无法向前推进。理解死锁的概念是分析和解决该问题的前提。

## 1.1 死锁的定义

死锁（Deadlock）是指在多进程环境下，当多个进程因竞争资源而造成的一种僵局。当进程处于这种状态时，它们都在等待某个事件，而该事件只能由对方进程触发，因此它们都陷入无限等待中。

## 1.2 死锁产生的条件

产生死锁需要满足四个必要条件，它们之间相互依赖，缺一不可：

- **互斥条件**：资源不能被共享，只能由一个进程使用。
- **占有和等待条件**：已经持有资源的进程可以请求新的资源。
- **不可抢占条件**：进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被其他进程强行夺走，只能由占有资源的进程自愿释放。
- **循环等待条件**：存在一种进程资源的循环链，每个进程都持有下一个进程所需要的至少一种资源。

## 1.3 死锁的影响

死锁不仅仅会导致进程无法执行，还会浪费系统资源，降低系统的吞吐量，甚至可能导致整个系统的瘫痪。因此，理解和解决死锁问题对于保证系统的稳定性和高效运行至关重要。

# 2. 死锁检测与预防理论

## 2.1 死锁的必要条件分析

死锁问题的出现是因为多个进程在执行过程中因竞争资源而造成的一种僵局。要想有效地预防和避免死锁，必须首先理解其产生的必要条件。通过分析这些条件，可以设计出相应的策略来预防或避免死锁的发生。

### 2.1.1 互斥条件

互斥条件是指系统中的某些资源是不能共享的，即一次只能由一个进程使用。如果其他进程请求该资源，请求者只能等待直到资源被释放。这一条件是死锁发生的前提，因为它直接导致资源的竞争。

**表格1：互斥条件实例**

| 资源类型 | 是否可共享 | 是否会引起死锁 |
| -------------- | ---------- | -------------- |
| 打印机 | 否 | 是 |
| CPU处理时间 | 是 | 否 |
| 文件（独占模式） | 否 | 是 |
| 内存 | 是 | 否 |

互斥条件无法改变，因为有些资源的属性决定了它们不能被多个进程同时使用。因此，系统设计者需要在其他条件上下功夫以预防死锁。

### 2.1.2 占有和等待条件

占有和等待条件指的是进程至少已经持有一个资源，但又提出新的资源请求，而该资源又被其他进程占有。进程必须等待其他进程释放其占有的资源。

**代码块1：资源请求和持有示例**

// 假设有两个进程P1和P2，以及两种资源R1和R2
// P1和P2都持有一个资源，并请求对方持有的资源
int P1_resources[] = {1, 0}; // P1持有R1，请求R2
int P2_resources[] = {0, 1}; // P2持有R2，请求R1

// 互斥逻辑，这里仅示意
if (P1想要R2) {
    if (P2持有R2) {
        P1等待;
    }
}

if (P2想要R1) {
    if (P1持有R1) {
        P2等待;
    }
}

逻辑上，当P1等待P2持有的R2时，P2也在等待P1持有的R1，这就形成了死锁。

### 2.1.3 不可抢占条件

不可抢占条件是指资源只能由占有它的进程主动释放，不能被其他进程强行剥夺。如果一个进程占有了资源，其他进程需要等待该进程释放资源后才能使用。

**mermaid流程图1：不可抢占条件示意图**

graph LR
A[进程P1占有资源R1]
B[进程P2请求资源R1]
A -->|不可抢占| B
B -->|等待| A

在上图中，进程P1占有资源R1，在不可抢占的条件下，即便进程P2请求资源R1，也只能等待P1释放R1。

### 2.1.4 循环等待条件

循环等待条件指的是存在一种进程资源的循环链，每个进程都持有下一个进程需要的至少一个资源。在这种情况下，每个进程都在等待下一个进程持有的资源，形成循环等待。

**代码块2：循环等待示例**

# 进程及其资源请求
processes = {'P1': ['R1'], 'P2': ['R2'], 'P3': ['R3'], 'P4': ['R1']}

# 检查是否存在循环等待
for p, requested in processes.items():
    holding = processes[p]
    while requested:
        next_p = next((x for x in holding if x in processes), None)
        if next_p == p:
            # 发现循环等待
            print(f"进程 {p} 在等待 {next_p} 持有的 {requested}")
        holding = holding + processes[next_p]

当代码发现存在从一个进程到另一个进程的循环依赖时，就意味着出现了循环等待条件。

## 2.2 死锁预防方法

死锁预防方法的基本思想是破坏死锁产生的四个必要条件之一。下面将详细分析每一种预防方法。

### 2.2.1 破坏互斥条件

由于互斥条件是由某些资源的固有属性决定的，因此破坏互斥条件通常涉及到设计允许共享的资源。然而，这在实际中很难实现，尤其是在打印机、磁带设备等硬件资源上。

### 2.2.2 破坏占有和等待条件

破坏占有和等待条件的方法之一是让进程在开始执行前一次性地请求所有需要的资源。这样，进程要么得到所有资源，开始执行；要么一个资源也得不到，不会进入等待状态。

**表格2：破坏占有和等待条件的方法**

| 策略 | 描述 | 优点 | 缺点 |
| ------------ | ------------------------------------------------------------ | -------------------------------------- | ------------------------------------ |
| 预分配资源 | 进程在启动时声明所有需要的资源 | 简单易实现 | 资源利用率低，可能导致饥饿 |
| 资源池 | 为不同进程建立资源池，进程根据需要从资源池中获取资源 | 提高资源利用率，减少死锁可能性 | 实现复杂，维护成本高 |
| 按需请求 | 支持动态请求资源，但需要在系统设计时引入额外的管理机制 | 保持灵活性，适用于不确定资源需求的场景 | 实现复杂，可能出现资源分配延迟 |

### 2.2.3 破坏不可抢占条件

要破坏不可抢占条件，系统必须支持资源抢占。当一个进程正在等待资源时，若该资源被另一个进程占用，系统可以抢占（暂时回收）后者的资源，分配给等待该资源的进程。

**代码块3：资源抢占示例**

// 假设进程P1占有了资源R1，但当前无法继续执行，需要等待资源R2
// P2请求R1，但由于R1不可抢占，系统设计允许抢占
if (P2想要R1) {
    if (P1持有R1) {
        抢占P1持有的R1;
        P2获得R1;
    }
}

### 2.2.4 破坏循环等待条件

破坏循环等待条件的方法主要是对资源进行排序，并规定进程必须按照一定的顺序来请求资源。这样，循环等待链就不会形成。

**表格3：破坏循环等待条件的策略**

| 策略 | 描述 | 优点 | 缺点 |
| -------- | ------------------------------------------------------------ | -------------------------------------- | ------------------------------------ |
| 静态分配 | 进程按照资源序号顺序申请，不允许循环等待的资源分配 | 避免死锁，简化管理 | 灵活性差，资源利用率可能下降 |
| 动态分配 | 进程运行时根据需要动态申请资源，但分配算法设计要防止循环等待 | 提高资源利用率，适应动态变化 | 设计复杂，增加系统开销，可能引入新问题 |

## 2.3 死锁避免理论

死锁避免理论的目标是在资源分配时避免系统进入不安全状态，即一种可能引起死锁的状态。最著名的死锁避免