死锁避免

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在涉及多个进程和共享资源的复杂系统中，当进程等待彼此释放资源时，可能会出现死锁，导致系统停滞。由此产生的死锁可能导致计算机系统出现严重问题，例如性能下降甚至系统崩溃。为了防止此类问题，采用了死锁避免技术。它需要仔细检查进程对资源的请求，并评估可用资源，以确定是否授予此类请求会导致死锁。如果授予请求会导致死锁，则系统会拒绝该请求。死锁避免是操作系统设计中的一个重要方面，在维护计算机系统的可靠性和稳定性方面起着不可或缺的作用。

安全状态和不安全状态

安全状态是指系统状态，其中向每个进程分配资源可以确保避免死锁。所有进程的成功执行是可实现的，死锁的可能性很低。当合适的资源分配顺序能够使所有进程成功完成时，系统达到安全状态。

相反，不安全状态意味着系统状态可能发生死锁。不能保证所有进程的成功完成，死锁的风险很高。当没有资源分配顺序能够确保所有进程成功执行时，系统是不安全的。

死锁避免算法

• 当资源类别只有其资源的单个实例时，使用资源分配图算法。在此算法中，循环是死锁的必要且充分条件。

• 当资源类别具有多个资源实例时，使用银行家算法。在此算法中，循环是死锁的必要条件，但不是充分条件。

资源分配图算法

资源分配图 (RAG) 是一种用于死锁避免的常用技术。它是一个有向图，表示系统中的进程、可用资源以及它们之间的关系。RAG 中的进程节点有两种类型的边：请求边和分配边。请求边表示进程对资源的请求，而分配边表示将资源分配给进程。

为了确定系统是否处于安全状态，分析 RAG 以检查循环。如果图中存在循环，则意味着系统处于不安全状态，并且授予资源请求可能导致死锁。相反，如果图中不存在循环，则意味着系统处于安全状态，并且可以继续分配资源。

不会导致死锁。

RAG 技术易于实现，并提供了系统中进程和资源的清晰直观表示。它也是识别死锁原因（如果发生死锁）的有效方法。但是，RAG 技术的主要局限性之一是它假设系统中的所有资源都在分析开始时分配。在实践中，资源分配可以在系统运行期间动态变化，因此该假设可能不现实。因此，其他技术（例如银行家算法）用于克服此局限性。

银行家算法

银行家算法是一种用于操作系统的死锁避免算法。它由 Edsger Dijkstra 于 1965 年提出。银行家算法的工作原理是确保系统有足够的资源分配给每个进程，以便系统永远不会进入死锁状态。它通过跟踪系统中可用的资源总数以及分配给每个进程的资源数量来工作。

该算法用于防止多个进程竞争有限资源集时可能发生的死锁。资源可以是不同类型的，例如内存、CPU 周期或 I/O 设备。它的工作原理是首先分析系统的当前状态，并确定授予进程的资源请求是否会导致安全状态。如果至少存在一个资源分配序列可以满足所有进程而不会导致死锁，则该状态被认为是安全的。

银行家算法假设每个进程都会预先声明其最大资源需求。根据这些信息，该算法将资源分配给每个资源分配图进程，以使已分配资源的总数永远不会超过可用资源的总数。该算法不会授予可能导致死锁情况的资源访问权限。银行家算法使用一个名为“分配矩阵”的矩阵来跟踪分配给每个进程的资源，并使用一个名为“请求矩阵”的矩阵来跟踪每个进程请求的资源。它还使用“需求矩阵”来表示每个进程仍需完成其执行的资源。

为了确定是否可以授予请求，该算法会检查是否有足够的可用资源来满足请求，然后检查是否授予请求仍会导致安全状态。如果可以安全地授予请求，则该算法会授予资源并相应地更新分配矩阵、请求矩阵和需求矩阵。如果不能安全地授予请求，则进程必须等待，直到有足够的资源可用。

1. 初始化系统

• 定义进程和资源类型的数量。

• 定义每种资源类型的可用资源总数。

• 创建一个名为“分配矩阵”的矩阵来表示每个进程的当前资源分配。

• 创建一个名为“需求矩阵”的矩阵来表示每个进程剩余的资源需求。

2. 定义请求

• 进程请求特定类型资源的特定数量。

3. 检查是否可以授予请求

• 检查请求的资源是否可用。

• 如果请求的资源不可用，则进程必须等待。

• 如果请求的资源可用，则转到下一步。

4. 检查系统是否处于安全状态

• 模拟将请求的资源分配给进程。

• 检查此分配是否导致安全状态，这意味着存在一个可以满足所有进程而不会导致死锁的分配序列。

• 如果状态安全，则通过更新分配矩阵和需求矩阵来授予请求。

• 如果状态不安全，则不要授予请求并让进程等待。

释放资源

• 当进程完成执行后，通过更新分配矩阵和需求矩阵来释放其已分配的资源。

对系统中任何进程发出的每个资源请求重复上述步骤。总的来说，银行家算法是通过仔细管理资源分配和预测潜在冲突来避免资源受限系统中死锁的有效方法。

结论

死锁避免是操作系统设计中的一个重要概念，用于防止死锁的发生，死锁可能导致系统崩溃和性能下降。
通过使用各种技术，例如资源分配图和银行家算法，操作系统可以确保以防止死锁发生的方式分配资源。虽然死锁避免可以有效地防止死锁，但它也可能在系统资源方面代价高昂，并可能导致系统性能下降。因此，操作系统设计人员必须仔细权衡死锁避免的益处与成本和潜在缺点。

总的来说，死锁避免是现代操作系统设计中必不可少的一个方面，它有助于确保计算机系统的稳定性和可靠性。通过了解死锁避免的原则和技术，系统管理员和开发人员可以构建更强大、更具弹性的系统，这些系统能够更好地应对现代计算环境的挑战。