關(guān)于操作系統(tǒng)進(jìn)程的死鎖問題的研究

摘 要：本文旨在研究操作系統(tǒng)進(jìn)程的死鎖問題，進(jìn)程死鎖問題一直困擾著操作系統(tǒng)設(shè)計者，很多學(xué)者專家一直研究怎樣解決這個問題。本文首先提出了死鎖的概念，死鎖的起因及產(chǎn)生死鎖四個必要條件；然后深入研究探討解決死鎖問題，并給出可行方案。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng) 進(jìn)程 死鎖

一、死鎖的基本概念

1.死鎖的概念（產(chǎn)生死鎖的原因和必要條件）

在多道程序系統(tǒng)中，可借助于多個進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行來改善系統(tǒng)的資源利用率和提高系統(tǒng)的處理能力。但可能發(fā)生一種危險——死鎖。

死鎖，是指多個進(jìn)程因競爭資源而造成的一種僵局，若無外力作這些進(jìn)程都將永遠(yuǎn)不能再向前推進(jìn)。

產(chǎn)生死鎖的原因可歸結(jié)為以下兩點(diǎn)：

（1）競爭資源。為多個進(jìn)程所共享的資源不足，引起它們對資源的競爭而產(chǎn)生死鎖；

（2）進(jìn)程推進(jìn)順序不當(dāng)。進(jìn)程運(yùn)動過程中，請求和釋放資源的順序不當(dāng)，而導(dǎo)致進(jìn)程死鎖。

2.死鎖的起因

（1）競爭資源引起死鎖

二、死鎖的處理

1.預(yù)防死鎖

通過設(shè)置某些限制條件，以破壞產(chǎn)生死鎖的四個必要條件中的一個或幾個，來防止發(fā)生死鎖。預(yù)防死鎖是一種較易實(shí)現(xiàn)的方法，已被廣泛使用。但由于所施加的限制條件往往太嚴(yán)格，可能導(dǎo)致資源利用率很低。

我們可以通過使（2）、（3）、（4）三個必要條件不能成立的方法，來預(yù)防死鎖的產(chǎn)生，至于必要條件（1），由于是設(shè)備的固有特性，不僅不能改變，還應(yīng)設(shè)法加以保證。

（1）摒棄“請求和保持”條件

為了摒棄這一條件，系統(tǒng)要求所有進(jìn)程都一次性地申請其所需的全部資源，若系統(tǒng)擁有足夠的資源分配給進(jìn)程時，便把進(jìn)程所需資源分配給它，這樣，該進(jìn)程在整個運(yùn)行期間，便不會再提出資源請求，從而摒棄了請求條件，但只要有一種資源的要求不能滿足，則已有的其他資源也全部不分配給該進(jìn)程，讓進(jìn)程等待。由于在等待期間的進(jìn)程不占有任何資源，因此摒棄了保持條件，從而可以避免發(fā)生死鎖。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單，易于實(shí)現(xiàn)，且很安全；但缺點(diǎn)也極其明顯：

資源嚴(yán)重浪費(fèi)：一個進(jìn)程一次獲得共所需的全部資源，嚴(yán)重地惡化了系統(tǒng)的資源利用率；

進(jìn)程推遲運(yùn)行：僅當(dāng)進(jìn)程獲得其所需全部資源后，方能開始運(yùn)行，但可能有某些資源長期被其它進(jìn)程占用，致使進(jìn)程遲遲不能運(yùn)行。

（2）摒棄“不剝奪”條件

該策略規(guī)定，一個已保持了某些資源的進(jìn)程，若新的資源要求不能立即得到滿足，它必須釋放已保持的所有資源，以后需要時再重新申請。這意味著，進(jìn)程已占有資源在運(yùn)行過程中可被剝奪，從而摒棄了“不剝奪條件”。

這種策略實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，且要付出很大代價。因?yàn)橐粋€資源在使用一段時間后被釋放，可能會造成前階段工作的失效。此外，該策略還可能由于反復(fù)地申請和釋放資源，使進(jìn)程的執(zhí)行無限推遲。這不僅延長了進(jìn)程的周轉(zhuǎn)時間，也增加了系統(tǒng)開銷。

（3）摒棄“環(huán)路等待”條件

該策略規(guī)定，系統(tǒng)將所有的資源按類型進(jìn)行線性排隊，并賦予不同的序號。例如，令輸入機(jī)的序號為1，打印機(jī)的序號為2，穿孔機(jī)為3，磁帶機(jī)為4，磁盤為5。所有進(jìn)程對資源請求，必須嚴(yán)格按資源序號遞增的順序提出，如果申請的資源號小于已占用的資源序號，則它必須釋放出序號小于申請序號的已占用資源。可以證明系統(tǒng)在任何情況下，不可能進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)（用反證法），因而摒棄了“環(huán)路等待”條件。在采用這種策略時，由于總有一個進(jìn)程占據(jù)了較高序號的資源，它繼續(xù)請求的資源必然是空閑的，因此進(jìn)程可以一直向前推進(jìn)。

該策略較之前兩種策略，在資源利用率、系統(tǒng)吞吐量上都有顯蓍提高，但也存在不述嚴(yán)重問題：

（1）為系統(tǒng)中各種資源類型分配的序號，必須相對穩(wěn)定，這就限制了新設(shè)備類型的增加；

（2）盡管在為資源分配序號時，已考慮到大多數(shù)作業(yè)實(shí)際使用這些資源的順序，但也經(jīng)常會發(fā)生作業(yè)使用資源的順序與系統(tǒng)規(guī)定順序不同的情況，造成資源的浪費(fèi)。

2.避免死鎖

不需事先采取各種限制措施去破壞產(chǎn)生死鎖的必要條件，而是在資源的動態(tài)分配過程中，用某種方法去防止系統(tǒng)進(jìn)入不安全狀態(tài)，從而避免發(fā)生死鎖。這種方法只需在事先加以較弱的限制條件，便可獲得較高的資源利用率及系統(tǒng)吞吐量，但在實(shí)現(xiàn)上有一定的難度。在目前較完善的系統(tǒng)中，常用此方法來避免死鎖的發(fā)生。

在預(yù)防死鎖中所采取的幾種策略，都施加了較強(qiáng)的限制條件，因而嚴(yán)重地?fù)p害了系統(tǒng)性能。而避免死鎖方法所施加的限制條件較弱，可能獲得較為滿意的系統(tǒng)性能。

死鎖避免可被稱為動態(tài)預(yù)防，因?yàn)橄到y(tǒng)采用動態(tài)分配資源的方法，在分配過程中預(yù)測出死鎖發(fā)生的可能性并加以避免。這種方法中把運(yùn)行中的系統(tǒng)歸為下述兩種狀態(tài)：

（1）安全與不安全狀態(tài)

3.檢測死鎖和解除死鎖

預(yù)防和避免死鎖的方法相對比較保守，且都是以犧牲機(jī)器的效率和浪費(fèi)資源為代價的，檢測和解除死鎖預(yù)先并不采取任何限制性措施，也不檢查系統(tǒng)是否已進(jìn)入不安全態(tài)，允許系統(tǒng)在運(yùn)行過程中發(fā)生死鎖，但可通過系統(tǒng)設(shè)置的檢測機(jī)構(gòu)，及時地檢測出死鎖的發(fā)生，并精確地確定與死鎖有關(guān)的進(jìn)程和資源；然后，采取適當(dāng)措施，以最小的代價從系統(tǒng)中將已發(fā)生的死鎖清除掉。

解除死鎖是與檢測死鎖相配套的一種措施，用于將進(jìn)程從死鎖狀態(tài)下解脫出來。常用的實(shí)施方法是撤消或掛起一些進(jìn)程，以便回收一些資源，再將這些資源分配給已處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程，使之轉(zhuǎn)為就緒狀態(tài)以繼續(xù)運(yùn)行。

（1）剝奪資源。從其它進(jìn)程剝壓足夠數(shù)量的資源給死鎖進(jìn)程，以解除死鎖狀態(tài)；

（2）撤消進(jìn)程。最簡單的撤消進(jìn)程的方法是使全部死鎖進(jìn)程都夭折掉；稍為溫和一點(diǎn)的方法是按照某種順序逐個地撤消進(jìn)程，直至有足夠的資源可用，死鎖狀態(tài)消除為止。

死鎖的檢測和解除，有可能使系統(tǒng)獲得較好的資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，但在實(shí)現(xiàn)上難度也較大。

三、結(jié)束語

計算機(jī)的軟硬件不斷地更新?lián)Q代，這使得計算機(jī)性能大幅度的提升，但是提升的同時，資源浪費(fèi)這個問題也就越來越嚴(yán)重。在解決資源浪費(fèi)的同時，操作系統(tǒng)進(jìn)程的死鎖問題又困擾著程序設(shè)計者。本文針對這個問題作出的系統(tǒng)的研究并且提出了問題的解決方案，為計算機(jī)資源可以被充分的利用提供了一些理論基礎(chǔ)。相信隨著計算機(jī)的快速發(fā)展，操作系統(tǒng)進(jìn)程的死鎖問題會得到很好的解決。

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