《進(jìn)程死鎖》課件

進(jìn)程死鎖多線程或多進(jìn)程在運(yùn)行過(guò)程中，由于競(jìng)爭(zhēng)資源或相互等待而造成的一種僵局，導(dǎo)致程序無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行。進(jìn)程死鎖的概念進(jìn)程死鎖是指多個(gè)進(jìn)程因競(jìng)爭(zhēng)資源而互相等待，導(dǎo)致所有進(jìn)程都無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行的狀態(tài)。死鎖通常發(fā)生在多個(gè)進(jìn)程同時(shí)請(qǐng)求多個(gè)資源時(shí)，導(dǎo)致形成循環(huán)等待的現(xiàn)象。當(dāng)進(jìn)程處于死鎖狀態(tài)時(shí)，所有參與死鎖的進(jìn)程都會(huì)被阻塞，無(wú)法獲得所需的資源。進(jìn)程死鎖的必要條件互斥條件每個(gè)資源在同一時(shí)間只能被一個(gè)進(jìn)程使用。例如，打印機(jī)一次只能被一個(gè)進(jìn)程使用。占有并等待條件一個(gè)進(jìn)程占有至少一個(gè)資源，但同時(shí)又在等待另一個(gè)資源，該資源被其他進(jìn)程占有。不可剝奪條件進(jìn)程已獲得的資源在完成之前不能被其他進(jìn)程強(qiáng)行剝奪。例如，一個(gè)進(jìn)程已獲得一個(gè)磁盤(pán)塊，該磁盤(pán)塊在進(jìn)程完成之前無(wú)法被另一個(gè)進(jìn)程使用。循環(huán)等待條件存在一個(gè)閉環(huán)的進(jìn)程集合{P1,P2,...,Pn}，其中P1等待P2占有的資源，P2等待P3占有的資源，...，Pn等待P1占有的資源。資源分配策略靜態(tài)資源分配在進(jìn)程創(chuàng)建之前分配所有所需的資源。無(wú)法滿足要求的進(jìn)程被延遲。動(dòng)態(tài)資源分配進(jìn)程在執(zhí)行過(guò)程中按需請(qǐng)求資源。可能會(huì)導(dǎo)致死鎖。混合資源分配將靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分配結(jié)合在一起。更靈活，但需要仔細(xì)管理。資源分配示例假設(shè)有兩個(gè)進(jìn)程P1和P2，以及三個(gè)資源R1、R2和R3。P1需要R1和R2，P2需要R2和R3。假設(shè)系統(tǒng)中R1、R2和R3的數(shù)量分別是2、1和1。此時(shí)，如果P1獲取了R1和R2，而P2獲取了R2，則系統(tǒng)中沒(méi)有足夠的資源滿足P2對(duì)R3的需求，導(dǎo)致P2陷入阻塞狀態(tài)，無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)P1釋放R2后，P2仍然無(wú)法獲取R3，因?yàn)镽3已經(jīng)被P1獨(dú)占。此時(shí)，P1和P2都處于阻塞狀態(tài)，互相等待對(duì)方的資源，形成了死鎖。資源分配圖資源分配圖是描述進(jìn)程和資源之間關(guān)系的圖形表示方法，它可以幫助我們直觀地了解系統(tǒng)當(dāng)前的資源分配狀況，以及進(jìn)程之間的相互依賴(lài)關(guān)系。資源分配圖由頂點(diǎn)和邊組成，頂點(diǎn)表示進(jìn)程和資源，邊表示進(jìn)程對(duì)資源的請(qǐng)求或占有關(guān)系。資源分配圖可以幫助我們判斷系統(tǒng)中是否存在死鎖，并為死鎖的解決提供參考。死鎖檢測(cè)算法11.資源分配圖通過(guò)圖形的方式描述系統(tǒng)中資源和進(jìn)程之間的關(guān)系。22.循環(huán)檢測(cè)檢測(cè)資源分配圖中是否存在循環(huán)依賴(lài)關(guān)系，如果有，則說(shuō)明系統(tǒng)中存在死鎖。33.算法復(fù)雜度檢測(cè)算法的時(shí)間復(fù)雜度較高，在大型系統(tǒng)中可能難以實(shí)時(shí)執(zhí)行。死鎖預(yù)防策略預(yù)防死鎖的必要條件死鎖預(yù)防策略通過(guò)限制資源分配條件，防止死鎖發(fā)生。這種策略主要通過(guò)破壞死鎖產(chǎn)生的必要條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，通過(guò)實(shí)施互斥訪問(wèn)控制，確保每個(gè)資源在任何時(shí)間都只能由一個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)，從而避免了資源競(jìng)爭(zhēng)條件。避免資源競(jìng)爭(zhēng)可以采用非搶占式資源分配策略，即當(dāng)一個(gè)進(jìn)程請(qǐng)求一個(gè)資源時(shí)，如果該資源不可用，則該進(jìn)程必須等待，直到該資源可用。通過(guò)設(shè)置資源請(qǐng)求順序，可以避免循環(huán)等待條件，從而消除死鎖的可能性。死鎖預(yù)防的必要條件11.互斥條件資源只能被一個(gè)進(jìn)程使用，其他進(jìn)程需要等待。22.請(qǐng)求和保持條件進(jìn)程可以請(qǐng)求已有的資源，并持有已經(jīng)分配的資源。33.不可剝奪條件進(jìn)程不能強(qiáng)行剝奪資源。44.循環(huán)等待條件多個(gè)進(jìn)程循環(huán)等待對(duì)方持有的資源。死鎖預(yù)防示例資源分配順序例如，如果多個(gè)進(jìn)程都需要打印機(jī)和磁盤(pán)，可以指定先分配打印機(jī)，再分配磁盤(pán)，以避免死鎖。限制共享資源每個(gè)進(jìn)程只能訪問(wèn)特定的資源，不能訪問(wèn)所有共享資源，從而避免多個(gè)進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)同一資源。資源預(yù)分配在進(jìn)程啟動(dòng)前，為其分配所有需要的資源，確保進(jìn)程擁有完成任務(wù)所需的資源，避免中途爭(zhēng)奪資源導(dǎo)致死鎖。死鎖避免策略動(dòng)態(tài)策略死鎖避免策略屬于動(dòng)態(tài)策略，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)判斷是否會(huì)導(dǎo)致死鎖，并在必要時(shí)采取措施來(lái)避免死鎖發(fā)生。資源分配該策略通過(guò)對(duì)資源的分配進(jìn)行控制，確保系統(tǒng)始終處于安全狀態(tài)，避免進(jìn)入死鎖狀態(tài)。死鎖避免的條件系統(tǒng)資源分配系統(tǒng)對(duì)進(jìn)程資源分配的策略，需要采取一定的算法，保證資源分配的公平性和安全性。進(jìn)程請(qǐng)求資源進(jìn)程在運(yùn)行過(guò)程中，需要根據(jù)自身需求，請(qǐng)求系統(tǒng)分配資源。資源分配過(guò)程需要確保不會(huì)引發(fā)死鎖。進(jìn)程運(yùn)行狀態(tài)系統(tǒng)需要掌握每個(gè)進(jìn)程的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，了解其已分配資源和正在等待的資源。銀行家算法銀行家模擬模擬銀行貸款，系統(tǒng)作為銀行，進(jìn)程作為客戶，資源作為資金安全狀態(tài)存在一個(gè)資源分配序列，能夠滿足所有進(jìn)程的資源需求請(qǐng)求檢查當(dāng)進(jìn)程請(qǐng)求資源時(shí)，檢查是否能滿足請(qǐng)求，并保持安全狀態(tài)銀行家算法示例銀行家算法是用于避免死鎖的一種資源分配策略。算法的基本思想是：在分配資源之前，檢查當(dāng)前狀態(tài)是否安全，如果安全，則分配資源；否則，等待。一個(gè)銀行家分配資金給客戶，必須確保所有客戶都能獲得他們需要的資金，并且銀行本身不會(huì)破產(chǎn)。類(lèi)似地，在操作系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)作為“銀行家”，管理系統(tǒng)資源。死鎖恢復(fù)策略1進(jìn)程回滾回滾到之前狀態(tài)，釋放資源。2進(jìn)程終止終止死鎖進(jìn)程，釋放資源。3資源搶占強(qiáng)占資源，釋放被鎖定的資源。死鎖恢復(fù)的方法撤銷(xiāo)進(jìn)程撤銷(xiāo)一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程以釋放資源，從而打破死鎖狀態(tài)。回滾進(jìn)程將部分或全部進(jìn)程恢復(fù)到以前的狀態(tài)，以便釋放被占用的資源。搶占資源從一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程搶占資源并分配給其他進(jìn)程，以打破死鎖?；谶M(jìn)程優(yōu)先級(jí)的死鎖恢復(fù)優(yōu)先級(jí)選擇根據(jù)進(jìn)程的重要性，選擇優(yōu)先級(jí)最高的進(jìn)程，進(jìn)行恢復(fù)操作。資源回收將該進(jìn)程所占用的資源進(jìn)行回收，釋放給其他進(jìn)程。進(jìn)程重啟將該進(jìn)程重新啟動(dòng)，并分配必要的資源。死鎖處理的總體策略預(yù)防通過(guò)限制資源獲取和分配來(lái)避免死鎖情況的發(fā)生，例如限制資源獲取順序或設(shè)置資源獲取上限。避免通過(guò)動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)狀態(tài)，預(yù)測(cè)潛在的死鎖情況并采取措施避免其發(fā)生，例如銀行家算法。檢測(cè)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)是否發(fā)生死鎖，一旦檢測(cè)到死鎖則采取措施進(jìn)行恢復(fù)，例如資源搶占或回滾?；謴?fù)當(dāng)死鎖發(fā)生時(shí)，采取措施解除死鎖狀態(tài)，例如終止進(jìn)程、回滾進(jìn)程、預(yù)留資源等。進(jìn)程死鎖的檢測(cè)和預(yù)防死鎖檢測(cè)死鎖檢測(cè)是指在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，檢測(cè)系統(tǒng)是否已經(jīng)進(jìn)入死鎖狀態(tài)。檢測(cè)算法通?；谫Y源分配圖，通過(guò)分析資源分配情況來(lái)判斷是否存在循環(huán)等待。死鎖預(yù)防死鎖預(yù)防是指在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，采取措施避免死鎖的發(fā)生。通過(guò)破壞死鎖發(fā)生的必要條件來(lái)預(yù)防死鎖，例如，打破循環(huán)等待條件或采用資源預(yù)分配策略。進(jìn)程死鎖的避免和恢復(fù)死鎖避免死鎖避免策略在資源分配過(guò)程中，通過(guò)預(yù)測(cè)未來(lái)資源需求來(lái)避免死鎖發(fā)生，并通過(guò)一些算法進(jìn)行驗(yàn)證和控制。死鎖恢復(fù)當(dāng)死鎖發(fā)生時(shí)，需要采取措施來(lái)恢復(fù)系統(tǒng)，通常涉及撤銷(xiāo)部分進(jìn)程、回收資源或重新分配資源。進(jìn)程死鎖的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程死鎖在現(xiàn)實(shí)世界中廣泛存在，尤其是在多任務(wù)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等領(lǐng)域。例如，當(dāng)多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)同時(shí)訪問(wèn)同一資源時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)死鎖。同樣，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)請(qǐng)求同一資源時(shí)，也可能出現(xiàn)死鎖。死鎖的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降、資源浪費(fèi)甚至系統(tǒng)崩潰。因此，理解和解決死鎖問(wèn)題對(duì)于確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。進(jìn)程死鎖在操作系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)資源管理操作系統(tǒng)通過(guò)資源管理模塊來(lái)分配和回收資源，例如CPU、內(nèi)存、文件和設(shè)備。進(jìn)程調(diào)度操作系統(tǒng)使用調(diào)度算法來(lái)決定哪些進(jìn)程可以訪問(wèn)資源，以及何時(shí)可以訪問(wèn)資源。死鎖檢測(cè)操作系統(tǒng)可以檢測(cè)死鎖，并采取措施來(lái)解決死鎖，例如撤銷(xiāo)進(jìn)程或重新分配資源。死鎖預(yù)防操作系統(tǒng)可以通過(guò)在分配資源之前測(cè)試是否會(huì)發(fā)生死鎖來(lái)防止死鎖。進(jìn)程死鎖的實(shí)際案例分析進(jìn)程死鎖的實(shí)際案例分析可以幫助我們更好地理解死鎖的概念及其危害。例如，在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，兩個(gè)事務(wù)可能因?yàn)闋?zhēng)奪同一資源而陷入死鎖，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。在網(wǎng)絡(luò)通信中，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可能因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)擁塞而互相等待，導(dǎo)致通信中斷。通過(guò)分析這些案例，我們可以學(xué)習(xí)如何避免死鎖，并制定相應(yīng)的策略來(lái)應(yīng)對(duì)死鎖。進(jìn)程死鎖的預(yù)防措施11.避免競(jìng)爭(zhēng)條件通過(guò)合理設(shè)計(jì)程序，避免多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)共享資源。22.避免循環(huán)等待規(guī)定資源訪問(wèn)順序，避免多個(gè)進(jìn)程無(wú)限期等待對(duì)方釋放資源。33.設(shè)置資源訪問(wèn)順序?yàn)樗匈Y源分配優(yōu)先級(jí)，確保低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程不會(huì)阻塞高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程。44.使用死鎖檢測(cè)機(jī)制定期檢測(cè)系統(tǒng)資源分配狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決死鎖問(wèn)題。進(jìn)程死鎖的避免措施銀行家算法銀行家算法是一種用于避免死鎖的經(jīng)典方法，它通過(guò)預(yù)先分配資源來(lái)防止死鎖的發(fā)生。資源分配圖資源分配圖是一種可視化方法，用于描述系統(tǒng)中進(jìn)程和資源的分配情況，可以幫助識(shí)別潛在的死鎖。鎖順序通過(guò)制定合理的鎖順序，可以避免由于鎖競(jìng)爭(zhēng)而導(dǎo)致的死鎖。進(jìn)程死鎖的恢復(fù)措施進(jìn)程回滾進(jìn)程回滾是指將一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程回退到一個(gè)安全狀態(tài)，以便恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。這種方法需要記錄進(jìn)程執(zhí)行的步驟，以便在發(fā)生死鎖后回滾到之前的時(shí)間點(diǎn)。進(jìn)程終止進(jìn)程終止是指結(jié)束一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程，以解除死鎖。這種方法簡(jiǎn)單有效，但可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或工作丟失。進(jìn)程死鎖在分布式系統(tǒng)中的應(yīng)用數(shù)據(jù)一致性分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中，多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)共享數(shù)據(jù)的訪問(wèn)可能導(dǎo)致死鎖，影響數(shù)據(jù)一致性。資源競(jìng)爭(zhēng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)有限的資源，例如網(wǎng)絡(luò)帶寬、存儲(chǔ)空間等，可能導(dǎo)致死鎖。分布式事務(wù)在分布式事務(wù)處理中，多個(gè)節(jié)點(diǎn)需要協(xié)同完成操作，如果操作順序不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致死鎖。容錯(cuò)性為了應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)故障，分布式系統(tǒng)通常采用冗余機(jī)制，但冗余機(jī)制也可能增加死鎖發(fā)生的概率。進(jìn)程死鎖在云計(jì)算中的應(yīng)用虛擬化環(huán)境虛擬化技術(shù)允許在單個(gè)物理服務(wù)器上運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，導(dǎo)致資源爭(zhēng)用增加，死鎖可能性增高。云平臺(tái)通常使用動(dòng)態(tài)資源分配，可能會(huì)導(dǎo)致不同虛擬機(jī)競(jìng)爭(zhēng)相同資源，引發(fā)死鎖問(wèn)題。分布式環(huán)境云計(jì)算環(huán)境是分布式的，不同服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和資源共享，增加死鎖的復(fù)雜性。協(xié)調(diào)多個(gè)服務(wù)器上的資源分配，防止相互等待，是云計(jì)算環(huán)境中解決死鎖的關(guān)鍵。進(jìn)程死鎖在大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的應(yīng)用數(shù)據(jù)分析大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的分析任務(wù)可能會(huì)出現(xiàn)死鎖，例如多個(gè)分析進(jìn)程爭(zhēng)搶有限的計(jì)算資源。資源分配大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，資源的分配和管理需要謹(jǐn)慎，避免出現(xiàn)死鎖，例如節(jié)點(diǎn)、內(nèi)存、磁盤(pán)空間等。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理過(guò)程中，多個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)相同的數(shù)據(jù)塊，可能會(huì)導(dǎo)致死鎖，例如事務(wù)隔離級(jí)別。進(jìn)程死鎖在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用智能家居互聯(lián)設(shè)備間資源競(jìng)爭(zhēng)