计算操作基础实践 8

第6章死锁1.什么是死锁？请举一个生活中死锁的例子。定义：死锁是指多个进程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力干涉，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。生活例子：比如在一条狭窄的单行道上，两辆车迎面相遇，都无法后退，也无法前进，互相阻塞，谁也过不去，这就是一个典型的死锁场景。在操作系统中，比如进程A持有资源1并请求资源2，进程B持有资源2并请求资源1，两者都无法继续执行，也无法释放已占有的资源，从而陷入永久等待，就是死锁。什么原因引起了死锁？死锁发生的4个条件是什么？引起死锁的原因：系统资源不足；进程推进顺序不当；资源分配策略不合理。死锁发生的4个必要条件：互斥条件：进程对所分配到的资源具有排他性使用权，即某资源只能被一个进程占用，其他进程若请求该资源则必须等待，直到该资源被释放。请求和保持条件（占有且等待）：进程已经占有了至少一个资源，又提出了新的资源请求，而该资源已被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但对自己已占有的资源保持不放。不剥夺条件：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，只能由进程自己主动释放。循环等待条件：系统中存在一种进程资源的循环等待链，链中每一个进程已占有的资源同时被下一个进程所请求。处理死锁的3种方法是什么，请分别描述它们各自的思想。处理死锁的方法主要有三类：预防死锁：思想：通过设置某些限制条件，去破坏产生死锁的四个必要条件中的一个或几个，来防止死锁的发生。这是一种较易实现的方法，已被广泛使用，但由于所施加的限制条件往往太严格，可能会导致系统资源利用率和系统吞吐量降低。例如：破坏“请求和保持”条件，要求进程在开始运行前一次性申请所有资源；破坏“不剥夺”条件，允许系统在进程请求资源得不到满足时，剥夺其已占有的资源；破坏“循环等待”条件，对资源进行编号，规定进程只能按编号递增的顺序请求资源。避免死锁：思想：在资源的动态分配过程中，用某种方法去防止系统进入不安全状态，从而避免发生死锁。这种方法只需事先施加较弱的限制条件，便可获得较高的资源利用率及系统吞吐量，但在实现上有一定的难度。典型算法是银行家算法，它在每次资源分配前进行安全性检查，确保分配后系统仍处于安全状态，才允许分配资源。检测和解除死锁：思想：系统并不预先采取任何限制措施，而是允许系统在运行过程中发生死锁。但系统提供了检测和解除死锁的手段：当死锁发生后，系统能够及时检测到死锁的发生，并通过剥夺资源或撤销进程等方式解除死锁。这种方法对资源的利用率和系统吞吐量影响最小，但实现复杂度较高，且死锁发生后需要额外的开销来解除。不安全状态是否必然导致系统进入死锁状态，为什么？不安全状态不必然导致系统进入死锁状态。原因：不安全状态是指系统中不存在一个安全序列，即如果进程继续按某种顺序请求资源，可能会导致死锁。但这只是一种潜在的风险，并不意味着死锁一定会发生。进程的推进顺序是不确定的，如果进程的请求和释放顺序发生变化，系统可能会从不安全状态转变为安全状态，从而避免死锁。例如，一个进程可能在请求资源失败后主动释放部分已占有的资源，或者系统调度顺序发生变化，使得其他进程能够先完成并释放资源，从而打破潜在的死锁循环。因此，不安全状态只是死锁的必要条件，而非充分条件。5.银行家算法分析题已知：系统剩余资源Available=(1,5,2,0)，各进程的已分配资源Allocation、最大需求Max如下表：进程Allocation(A,B,C,D)Max(A,B,C,D)P₁(0,0,1,2)(0,0,1,2)P₂(1,0,0,0)(1,7,5,0)P₃(1,3,5,4)(2,3,5,6)P₄(0,6,3,2)(0,6,5,2)P₅(0,0,1,4)(0,6,5,6)现在系统是否处于安全状态？计算各进程的剩余需求Need=Max-Allocation：Need₁=(0,0,1,2)-(0,0,1,2)=(0,0,0,0)Need₂=(1,7,5,0)-(1,0,0,0)=(0,7,5,0)Need₃=(2,3,5,6)-(1,3,5,4)=(1,0,0,2)Need₄=(0,6,5,2)-(0,6,3,2)=(0,0,2,0)Need₅=(6,5,6,6)-(0,0,1,4)=(0,6,4,2)初始Available=(1,5,2,0)P₁完成后Available=(0,0,1,2)+(1,5,2,0)=(1,5,3,2)P3完成后Available=(1,3,5,4)+(1,5,3,2)=(2,8,8,6)P4完成后Available=(0,6,3,2)+(2,8,8,6)=(2,14,11,8)P5完成后Available=(0,0,1,4)+(2,14,11,8)=(2,14,12,12)P2完成后Available=(1,0,0,0)+(2,14,12,12)=(3,14,12,12)安全序列：[P₁,P₃,P4,P₅,P2]如果进程P₂提出请求Request₂=(0,4,2,0)，系统能否满足？假设分配资源，更新系统状态Available'=Available-Request₂=(1,5,2,0)-(0,4,2,0)=(1,1,0,0)计算各进程的剩余需求Need=Max-Allocation：Need₁=(0,0,1,2)-(0,0,1,2)=(0,0,0,0)Need₂=(1,7,5,0)-(1,4,2,0)=(0,3,3,0)Need₃=(2,3,5,6)-(1,3,5,4)=(1,0,0,2)Need₄=(0,6,5,2)-(0,6,3,2)=(0,0,2,0)Need₅=(6,5,6,6)-(0,0,1,4)=(0,6,4,2)安全序列：[P₁,P₃,P₄,P₂,P₅]分配后系统仍存在安全序列，因此系统可以满足P₂的请求。6.题目：设有3个进程P1、P2、P3，各自按图中顺序执行程序代码，其中S1、S2、S3是信号量，且初值均为1。在执行时是否会产生死锁？如果会产生死锁，请说明在什么情况下会产生死锁？并给出防止死锁产生的修改办法。当三个进程同时执行第一个P操作时（这里的P操作等价于wait操作，V操作等价于signal操作），会出现：有3个进程P1、P2和P3并发工作。进程P1需用资源S3和S1；进程P2需用资源S1和S2；进程P3需用资源S2和S3。若对资源分配不加限制，会出现什么情况？为什么？(2)为保证进程正确工作，应采用怎样的资源分配策略？为什么？解答：(1)会出现死锁。原因：若每个进程都先申请到第一个资源：P1获得S3，再请求S1；P2获得S1，再请求S2；P3获得S2，再请求S3；此时三个进程都持有一个资源，同时请求下一个被其他进程持有的资源，形成循环等待，发生死锁。采用的资源分配策略及原因：策略1：有序资源分配法规定所有资源按S1->S2->S3的顺序申请，每个进程必须按此顺序请求资源。原因：破坏“循环等待”条件，避免进程间形成资源请求环。策略2：一次性分配（静态分配）进程在运行前一次性申请所有需要的资源，系统要么全部分配，要么一个都不分配。原因：破坏“请求与保持”条件，进程运行过程中不再请求新资源，避免占有资源等待其他资源的情况。策略3：银行家算法（避免死锁）动态分配资源时，每次分配前检查系统是否处于安全状态，仅当分配后仍存在安全序列时才分配资源。原因：通过避免系统进入不安全状态，从根源上预防死锁发生。设系统有3种类型的资源，数量为(4,2,2)，系统中有进程A、B、C，按如下顺序请求资源：进程A申请(3,2,1)，进程B申请(1,0,1)，进程A申请(0,1,0)，进程C申请(2,0,0)。请给出一种防止死锁的资源剥夺分配策略，满足上述进程的请求，并列出资源分配过程，指明哪些进程需要等待，哪些资源被剥夺。解答：防止死锁的方案如下：要解除死锁，在选择撤销某个进程或者剥夺某个资源的时候，需要考虑什么因素？解答：解除死锁时，选择撤销进程或剥夺资源需考虑以下因素：①撤销进程的考虑因素进程优先级：优先撤销优先级低的进程，减少对系统关键任务的影响。进程已运行时间：优先撤销运行时间短的进程，减少系统因进程重启而产生的开销。进程已占资源量：优先撤销占有资源少的进程，减少资源回收的成本。进程的重要性：优先撤销非关键进程，避免影响系统核心功能或用户关键任务。撤销的代价：考虑进程重启的开销（如重新加载数据、恢复上下文），选择代价最小的进程。②