探讨死锁与预防策略：广东工业大学操作系统实验心得


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. 死锁的概念与理论基础

## 死锁的概念

在操作系统中，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，它们无法继续执行，除非有外部干预。这种状态可能导致系统性能下降，甚至整个系统的崩溃。

## 死锁的特征

死锁具有四个基本特征：互斥、占有和等待、不可剥夺、循环等待。互斥意味着至少有一个资源必须处于非共享模式，即一次只有一个进程可以使用。占有和等待指的是一个进程至少持有一个资源，并且正在等待获取附加的被其他进程持有的资源。不可剥夺表示已经分配给一个进程的资源在未使用完之前不能被强制剥夺，只能由占有资源的进程主动释放。循环等待是指存在一种进程资源的循环链，每个进程至少持有一个另一进程所需要的资源。

## 死锁的影响

在计算机系统中，死锁的发生会影响系统的稳定性和性能，降低系统的吞吐量，并增加系统响应时间。在极端情况下，死锁会导致系统资源的浪费，甚至造成系统完全无法工作。因此，理解和避免死锁对于构建高效、稳定的操作系统至关重要。

# 2. 操作系统中的死锁模型

### 2.1 死锁的四个必要条件

死锁是操作系统中一个经典且复杂的问题，其发生需要同时满足四个必要条件，它们分别是互斥条件、持有与等待条件、非剥夺条件和环路等待条件。了解这些条件是理解死锁产生和解决死锁的前提。

#### 2.1.1 资源分配图的理解

资源分配图（Resource Allocation Graph，RAG）是死锁分析中的一个关键概念。它通过图形方式表示系统中资源的分配和请求关系。在RAG中，节点表示进程或资源，边表示资源请求和分配关系。

graph TD
    A[进程A] -->|请求| R1[资源R1]
    R1 -->|分配| A
    B[进程B] -->|请求| R2[资源R2]
    R2 -->|分配| B
    A -->|请求| R2
    R1 -.->|等待| B

在上述的mermaid流程图中，进程A和进程B分别请求了资源R1和资源R2，并且处于分配状态。然而，进程A还在等待进程B持有的资源R2，形成了潜在的环路等待条件，有可能造成死锁。

#### 2.1.2 银行家算法的作用

银行家算法是一种预防死锁的算法，它借鉴了银行贷款的原理，通过提前计算资源请求是否会导致不安全状态来防止死锁发生。其核心思想是在系统处于安全状态时才允许资源分配，否则拒绝请求。

假设银行家有固定的贷款额度和客户需求数量，银行家算法保证每次贷款后，银行仍然能够满足所有客户的最大需求，从而避免资金链断裂的风险。

# Python伪代码示例
def banker_algorithm(available, max-demand, allocation, need):
    # 检查是否满足安全状态
    work = available[:]
    finish = [False] * len(need)
    safe_sequence = []

    while len(safe_sequence) < len(need):
        for i in range(len(need)):
            if not finish[i] and all(need[i][j] <= work[j] for j in range(len(need[i]))):
                for j in range(len(need[i])):
                    work[j] += allocation[i][j]
                finish[i] = True
                safe_sequence.append(i)
                break
        else:
            # 如果没有进程被标记为完成，则系统不在安全状态
            return None

    return safe_sequence

# 示例参数
available = [3, 3, 2]  # 可用资源
max-demand = [[7, 5, 3], [3, 2, 2], [9, 0, 2], [2, 2, 2]]  # 最大需求
allocation = [[0, 1, 0], [2, 0, 0], [3, 0, 2], [2, 1, 1]]  # 已分配资源
need = [[max-demand[i][j] - allocation[i][j] for j in range(len(max-demand[i]))] for i in range(len(max-demand))]  # 需求

# 执行银行家算法
safe_sequence = banker_algorithm(available, max-demand, allocation, need)
if safe_sequence:
    print("系统处于安全状态，一个安全序列是:", safe_sequence)
else:
    print("系统不在安全状态")

上述代码段演示了银行家算法的基本逻辑。代码通过模拟资源分配，确保每个进程都能按需获取资源，防止出现死锁。

### 2.2 死锁预防策略的理论分析

死锁预防是操作系统设计中的一项基本功能，它涉及多种策略，通过破坏死锁产生的四个必要条件来预防死锁的发生。

#### 2.2.1 资源分配策略

资源分配策略主要涉及资源的分配和释放时机，目标是打破互斥条件或持有与等待条件。

- **一次性分配**：进程启动时一次性分配所需所有资源，这可能导致资源的大量闲置。
- **资源预分配**：按阶段分配资源，每个阶段完成后归还已分配资源，再分配下一阶段资源。
- **资源限制使用**：限制资源只能被特定进程使用，从而减少资源竞争。

#### 2.2.2 锁排序和加锁协议

在多线程编程中，锁排序和加锁协议是预防死锁的有效手段。它们通过定义获取锁的顺序和锁的使用规则来防止进程进入死锁状态。

- **全局排序**：所有线程按照一定的顺序申请锁，避免了环路等待的发生。
- **层次锁协议**：将资源分层，线程按照层次顺序申请锁，不同层次的锁不能交叉使用。

### 2.3 死锁避免的理论模型

死锁避免与预防不同，它允许系统进入不确定的状态，但在资源请求时，通过算法分析保证系统不会进入不安全状态。

#### 2.3.1 安全状态和安全序列

系统处于安全状态是指系统能够按某种顺序来分配资源，使得每个进程都能顺利完成，不会导致死锁。安全序列是该顺序的一种体现。

#### 2.3.2 资源请求和分配的分析

当进程提出资源请求时，系统将检查该请求是否会导致系统进入不安全状态。如果会，系统将拒绝此次请求。这样，系统始终在安全状态下运行，避免了死锁。

以上是第二章的内容，通过理论分析和算法演示，深入探讨了操作系统中死锁模型的各个方面，包括死锁产生的条件、预防策略和避免方法。这些知识对于理解后续章节中的实验应用和策略实施至关重要。在下一章中，我们将结合这些理论知识，实际搭建实验环境，进行预防死锁的编程实践，并对实验结果进行分析和优化。

# 3. 死锁预防策略的实验应用

## 3.1 实验环境的搭建和配置

### 3.1.1 操作系统的安装和设置

实验的首