计算机操作系统（十五）死锁的概念与死锁的处理方法

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前言

• 在上一篇博客中，我们探讨了并发编程中互斥锁、信号量机制等重要同步机制，深入解析了信号量机制及其典型应用场景。
• 本篇将聚焦于死锁这一并发编程中的关键问题，系统阐述死锁的核心概念与针对性处理方法。

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一、死锁定义

1. 什么是死锁？

死锁就是“互相卡住，谁也动不了”的僵局。

举个例子：

你和张三面对面过一个狭窄的独木桥，你们都想先过，但谁也不退让。此时你们互相挡住对方，谁也没法前进——这就是“死锁”。

在计算机里，“死锁”发生在多个进程（程序的运行实例）争夺资源时，它们互相等待对方手里的资源，导致所有人都卡在原地，无法继续运行。

2. 用进程深入理解死锁

假设计算机里有 2台打印机（A和B），两个进程P1和P2都想同时用这两台打印机。

• 进程P1的操作顺序：

  1. 先拿走打印机A；
  2. 再想拿打印机B；
  3. 用完后先还B，再还A。

• 进程P2的操作顺序：

  1. 先拿走打印机B；
  2. 再想拿打印机A；
  3. 用完后先还A，再还B。

死锁怎么发生的？

1. P1拿走了A，同时 P2拿走了B；
2. P1现在需要B，但B在P2手里；
3. P2现在需要A，但A在P1手里；
4. 双方都在等对方释放资源，谁也动不了——这就是死锁！

• 两个进程各自占着对方需要的资源，形成“循环等待”（P1等P2的B，P2等P1的A）。
• 如果其中一个进程先释放资源，就不会死锁，但它们偏偏都“握死”资源不松手。

3. 为什么会死锁？

死锁的核心问题在于：

多个进程以不同的顺序申请资源，导致循环等待。

就像前面的独木桥例子：

• 如果你和朋友都“先过一步，再让对方”，就会卡住；
• 但如果你们约定“统一先让左边的人过，或右边的人退一步”，就不会死锁。

在计算机中，如果所有进程都按相同顺序申请资源（比如先申请打印机，再申请扫描仪），就不会出现循环等待，从而避免死锁。但如果顺序混乱，就可能触发死锁。

二、死锁出现的条件

1. 死锁的四个必要条件

先记住一个核心逻辑：死锁的四个条件缺一不可，计算机里缺少一个条件都不可能形成死锁。

1.1 互斥条件（资源独占）

含义：有些资源天生只能被一个人占用，不能共享。

• 对应计算机：打印机、摄像头等设备，同一时间只能被一个进程使用。

• 如果资源能共享，就不会触发死锁。

1.2. 不可剥夺条件（非抢占）

含义：资源被占用后，不能被强制拿走，只能等对方主动释放。

• 你向同学借了一支笔，同学不能直接从你手里抢走，必须等你用完还给他。
• 对应计算机：进程申请到的内存、文件句柄等资源，系统不能强行剥夺，只能等进程自己释放。

反例：如果老师能强制没收同学的笔给你（可抢占），就不会死锁。

1.3. 请求与保持条件（部分分配）

含义：进程已经占用了一些资源，却还在申请其他资源，且不释放已有的资源。

• 你手里已经拿着1支铅笔，却还想找同学借橡皮，结果同学手里有橡皮但想借你的铅笔。

• 你不放下铅笔，同学不放下橡皮，双方都卡在“要借但不松手”的状态。

• 对应计算机：进程P1占用了资源A，又申请资源B，没拿到B时也不释放A。

• 如果拿新资源前先放下已有资源（比如你先还铅笔再借橡皮），就不会卡住。

1.4. 循环等待条件

含义：多个进程形成一个环形链条，每个进程都在等下一个进程的资源。

• 你（P1）拿着铅笔，等同学A（P2）的橡皮；

• 同学A拿着橡皮，等同学B（P3）的尺子；

• 同学B拿着尺子，等你的铅笔；

• 三人形成“P1→P2→P3→P1”的循环等待环。

• 对应计算机：进程P1等P2的资源B，P2等P3的资源C，P3等P1的资源A。

• 没有环就不会死锁，比如你等A的橡皮，A等B的尺子，但B不等任何人，就不会形成环。

2. 为什么说死锁这四个条件缺一就不会发生死锁

1. 互斥条件不成立

若资源可被多个进程同时共享（如内存中的可重入代码），则不存在进程间对资源的独占需求。

• 此时，进程无需竞争资源，自然不会因资源争夺陷入死锁。

2. 请求与保持条件不成立

若进程必须一次性申请所有所需资源（或在请求新资源时释放已持有资源），则不会出现“持有部分资源并等待其他资源”的状态。

• 例如，进程启动前预分配所有资源，避免中间状态的资源持有与等待，破坏死锁的积累条件。

3. 不可剥夺条件不成立

若系统允许强制抢占资源（如优先级高的进程可抢占低优先级进程的资源），则当进程等待资源时，系统可从其他进程处夺回资源并分配给等待进程。

• 这会打破“资源一旦分配就不可强制收回”的僵局，阻止死锁的形成。

4. 循环等待条件不成立

若系统采用资源有序分配策略（如为资源编号，进程只能按升序请求），则进程间无法形成资源请求的循环链。

• 例如，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的环将被杜绝，直接消除死锁的结构基础。

三、处理死锁的方法

1. 死锁预防

类比：在加油站贴“禁止吸烟”，直接消除火灾隐患。
核心思想：破坏死锁的四个必要条件，让死锁根本无法发生。

下面我们逐个讲解死锁预防四个条件的难易程度

1.1 破坏互斥条件（难）

• 含义：让资源能共享使用，不独占。
  • 例子：打印机本是独占资源，但可以用“虚拟打印机”技术（如文件打印）让多个进程“共享”。
  • 局限：多数资源天生只能独占（如摄像头、扫描仪），无法破坏。

1.2 破坏不可剥夺条件（部分可行）

• 含义：允许强制回收资源（类似老师强行没收文具）。
  • 例子：
    • 进程占用的内存可以被系统强制释放（如进程崩溃时）。
    • 但打印机不行：打印到一半强制中断会导致纸张损坏。
  • 适用场景：仅适用于可“保存和恢复状态”的资源（如内存、CPU）。

1.3 破坏请求与保持条件（常用但有缺点）

• 含义：进程必须一次性申请所有需要的资源，要么全拿到，要么全不拿（类似“一次借完所有文具”）。
  • 例子：
    • 你想借铅笔和橡皮，必须同时申请这两样：
      • 如果有铅笔和橡皮，一起拿走；
      • 如果缺一样，就不拿任何东西，等下次再试。
  • 缺点：
    1. 预知未来难：进程可能不知道自己未来需要什么资源（比如游戏程序无法提前知道要加载多少地图资源）。
    2. 资源浪费：借了铅笔后可能很久才用橡皮，铅笔闲置浪费。
    3. 进程卡住：很多进程因等全资源而无法启动，效率低。

2. 死锁避免

类比：煤气灶检测到煤气超标时，自动切断电源（预判风险，提前阻止）。
核心思想：在进程申请资源时，先预判是否会导致死锁，若会则拒绝请求。

2.1 安全状态与安全序列

• 安全状态：系统能按某种顺序（安全序列）让所有进程都完成，不会死锁。
  • 类比：教室里有3支笔，2个同学A和B：
    • A需要2支笔，B需要1支笔；
    • 先给B分配1支（B用完归还），再给A分配2支——这是安全状态。
• 不安全状态：无法找到安全序列，可能死锁。
  • 类比：A和B各需2支笔，总共有3支笔：
    • 若先给A 1支，B 1支，剩下1支，两人都在等对方的笔——不安全状态，可能死锁。

3. 死锁检测与死锁恢复

类比：房间装烟雾报警器，发现火灾时用灭火器灭火（先检测，再处理）。
核心思想：

1. 定期检测：隔一段时间检查系统是否出现死锁（如资源利用率突然变低时）。
2. 恢复措施：发现死锁后，通过“终止进程”或“剥夺资源”打破僵局。

3.1 死锁检测：

• 资源分配图：用箭头表示“进程申请资源”和“资源分配给进程”。
  

  • 例子：

    • P1→R1（P1申请R1），R2→P2（R2分配给P2）。

  • 判断死锁：
    

    • 如果图中存在“环”（如P1→R1→P2→R2→P1），说明可能死锁。
    • 单个资源类型有环：一定死锁（如两人互等同一把钥匙）。
    • 多个资源类型有环：可能死锁（需进一步判断是否循环等待）。

3.2 死锁恢复

• 1. 终止进程：强制杀死某个或多个进程，释放它们的资源。

  • 选择标准：
    • 优先杀优先级低的进程（如后台程序）。
    • 杀占用资源少的进程（减少损失）。
  • 类比：教室里两人死锁抢文具，老师直接没收其中一人的文具，让另一人先用。

• 2. 剥夺资源：从进程手中强制拿走资源，分配给其他进程。

  • 需要“回滚”：被剥夺资源的进程需要回到之前的状态（如游戏存档，退回未申请资源时的状态）。
  • 类比：你借了铅笔和橡皮，老师强制拿走橡皮给同学，你需要回到“只借了铅笔”的状态。

4. 死锁忽略

类比：在太阳上不用怕火灾（因为环境不同，影响可忽略）。
核心思想：对死锁“睁一只眼闭一只眼”，假装没发生，适用于：

• 死锁概率极低：如个人电脑偶尔死锁，重启即可。
• 影响极小：如后台进程死锁，不影响用户操作。
• 典型案例：Windows系统对某些死锁直接忽略，提示用户“程序无响应，是否终止”。

5. 四种策略对比表

策略	核心思路	类比场景	优点	缺点
预防	破坏死锁条件，从源头杜绝	禁止吸烟防止火灾	彻底避免死锁	可能牺牲资源效率
避免	申请时预判是否死锁	煤气超标时切断电源	灵活，资源利用率高	计算复杂，需实时监测
检测+恢复	定期检查，发现后处理	火灾报警+灭火器灭火	应对复杂场景	存在延迟，可能损失数据
忽略	假装死锁不存在	在太阳上不用管火灾	简单省力	可能导致系统崩溃

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以上就是对本次关于操作系统博客内容的总结，后续我们将深入探讨操作系统更多知识。

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