写给大忙人看的死锁全详解

写给大忙人看的死锁全详解

前言

计算机系统中有很多独占性的资源,在同一时刻只能每个资源只能由一个进程使用,我们之前经常提到过打印机,这就是一个独占性的资源,同一时刻不能有两个打印机同时输出结果,否则会引起文件系统的瘫痪。所以,操作系统具有授权一个进程单独访问资源的能力。

两个进程独占性的访问某个资源,从而等待另外一个资源的执行结果,会导致两个进程都被阻塞,并且两个进程都不会释放各自的资源,这种情况就是 死锁(deadlock)。

死锁可以发生在任何层面,在不同的机器之间可能会发生死锁,在数据库系统中也会导致死锁,比如进程 A 对记录 R1 加锁,进程 B 对记录 R2 加锁,然后进程 A 和 B 都试图把对象的记录加锁,这种情况下就会产生死锁。

下面我们就来讨论一下什么是死锁、死锁的条件是什么、死锁如何预防、活锁是什么等。

首先你需要先了解一个概念,那就是资源是什么

资源

大部分的死锁都和资源有关,在进程对设备、文件具有独占性(排他性)时会产生死锁。我们把这类需要排他性使用的对象称为资源(resource)。资源主要分为 可抢占资源和不可抢占资源

可抢占资源和不可抢占资源

资源主要有可抢占资源和不可抢占资源。可抢占资源(preemptable resource) 可以从拥有它的进程中抢占而不会造成其他影响,内存就是一种可抢占性资源,任何进程都能够抢先获得内存的使用权。

不可抢占资源(nonpreemtable resource) 指的是除非引起错误或者异常,否则进程无法抢占指定资源,这种不可抢占的资源比如有光盘,在进程执行调度的过程中,其他进程是不能得到该资源的。

死锁与不可抢占资源有关,虽然抢占式资源也会造成死锁,不过这种情况的解决办法通常是在进程之间重新分配资源来化解。所以,我们的重点自然就会放在了不可抢占资源上。

下面给出了使用资源所需事件的抽象顺序

写给大忙人看的死锁全详解

如果在请求时资源不存在,请求进程就会强制等待。在某些操作系统中,当请求资源失败时进程会自动阻塞,当自资源可以获取时进程会自动唤醒。在另外一些操作系统中,请求资源失败并显示错误代码,然后等待进程等待一会儿再继续重试。

请求资源失败的进程会陷入一种请求资源、休眠、再请求资源的循环中。此类进程虽然没有阻塞,但是处于从目的和结果考虑,这类进程和阻塞差不多,因为这类进程并没有做任何有用的工作。

请求资源的这个过程是很依赖操作系统的。在一些系统中,一个 request 系统调用用来允许进程访问资源。在一些系统中,操作系统对资源的认知是它是一种特殊文件,在任何同一时刻只能被一个进程打开和占用。资源通过 open 命令进行打开。如果文件已经正在使用,那么这个调用者会阻塞直到当前的占用文件的进程关闭文件为止。

资源获取

对于一些数据库系统中的记录这类资源来说,应该由用户进程来对其进行管理。有一种管理方式是使用信号量(semaphore) 。这些信号量会初始化为 1 。互斥锁也能够起到相同的作用。

这里说一下什么是互斥锁(Mutexes):

在计算机程序中,互斥对象(mutex) 是一个程序对象,它允许多个程序共享同一资源,例如文件访问权限,但并不是同时访问。需要锁定资源的线程都必须在使用资源时将互斥锁与其他线程绑定(进行加锁)。当不再需要数据或线程结束时,互斥锁设置为解锁。

下面是一个伪代码,这部分代码说明了信号量的资源获取、资源释放等操作,如下所示

typedef int semaphore; semaphore aResource; void processA(void){ down(&aResource); useResource(); up(&aResource); }

上面显示了一个进程资源获取和释放的过程,但是一般情况下会存在多个资源同时获取锁的情景,这样该如何处理?如下所示

typedef int semaphore; semaphore aResource; semaphore bResource; void processA(void){ down(&aResource); down(&bResource); useAResource(); useBResource(); up(&aResource); up(&bResource); }

对于单个进程来说,并不需要加锁,因为不存在和这个进程的竞争条件。所以单进条件下程序能够完好运行。

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