操作系统中的死锁避免与进程同步策略

"死锁的避免-Windows操作系统原理课程讲义5" 在操作系统中，死锁是一个关键问题，它涉及到多个并发进程在等待彼此释放资源而无法继续执行的状态。本讲义聚焦于如何避免死锁的发生，特别是通过银行家算法这一策略。银行家算法是由艾兹格·迪杰斯特拉在1965年提出的，它为解决操作系统中的资源分配问题提供了一个安全的方法，类似于银行如何明智地贷款给客户，确保能够回收所有贷款且不会破产。 银行家算法的核心思想是在分配资源时进行安全性检查。它维护了四个矩阵：最大需求矩阵、当前需求矩阵、可用资源矩阵和分配矩阵。在每次请求资源时，算法会检查系统是否处于安全状态，即是否存在一个执行序列，使得每个进程都能完成其工作并释放所有资源。如果存在这样的序列，资源会被分配；否则，请求会被推迟，以防止发生死锁。 死锁问题通常源于四个必要条件：互斥、占有并等待、不可剥夺和循环等待。操作系统设计者需要确保至少破坏其中一个条件来防止死锁。例如，使用预分配策略，即在进程启动时一次性分配所有所需资源，可以避免占有并等待条件；设置超时或者资源预判则可以避免无限等待。 讲义中还提到了进程的管理和控制，包括进程和线程的概念，以及进程间的通信和处理器调度。进程互斥和同步是多进程环境下的关键问题。互斥是指只有一个进程能访问临界资源，而同步则是确保进程按照特定顺序执行，避免操作顺序冲突。为了实现这两点，操作系统使用了多种机制，如信号量、管程和Windows 2000/XP提供的同步原语。 信号量是一种同步工具，用于控制对公共资源的访问。它包括两种类型：互斥量（mutex）用于保护临界资源，仅允许一个进程访问；计数信号量用于控制多个资源的访问。 管程是另一种高级同步原语，它包含了一个临界区和一组过程，通过提供一个受控的环境来访问公共资源，确保了并发进程的安全交互。 在实际问题中，如飞机订票系统，当两个进程尝试同时读写共享变量时，可能会出现冲突。类似地，三个进程get、process和print在访问共享资源Buf1、Buf2和磁带打印机时，必须正确同步，以避免操作顺序错误。 为了避免死锁和饥饿，同步机制需要遵循四个准则：空闲则入、无空等待、有限等待和让权等待。这些准则确保了进程在等待资源时的行为是公平且有效的，减少了系统中出现死锁和长时间等待的可能性。 本讲义深入探讨了操作系统中避免死锁的策略，特别是银行家算法，以及进程互斥和同步的实现方法，这对于理解和设计高效、安全的多任务操作系统至关重要。