進程在什么情況下會(hui)產生死鎖
時(shi)間：2024-10-18 來(lai)源：華清遠(yuan)見
在操作系(xi)統中，進程(cheng)死鎖是一個(ge)關鍵且復雜的(de)概念，它會對系(xi)統的(de)性能和(he)資(zi)源利用產生嚴重影響。理解死鎖的(de)產生條件以及如何避免(mian)死鎖對于優化系(xi)統運行至關重要。
一、什么是進程死鎖
進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)(cheng)死鎖(suo)是指(zhi)多個進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)(cheng)在(zai)(zai)運行過程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)，因爭(zheng)奪資(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)而造(zao)成的(de)一種(zhong)僵(jiang)局。在(zai)(zai)這(zhe)種(zhong)情況(kuang)下，每(mei)個進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)(cheng)都在(zai)(zai)等待其他進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)(cheng)釋放其所占有(you)的(de)資(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)，從而導(dao)致所有(you)進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)(cheng)都無法繼續執(zhi)行。例如，進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)(cheng) A 持有(you)資(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan) R1 并等待進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)(cheng) B 釋放資(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan) R2，而進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)(cheng) B 持有(you)資(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan) R2 并等待進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)(cheng) A 釋放資(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan) R1，這(zhe)樣 A 和 B 就陷入了死鎖(suo)狀態。
二、死鎖產生的必要條件
（一） 互斥條件
1. 含義
資源具有獨占性，即一個(ge)資源在某一時(shi)刻(ke)只能被(bei)一個(ge)進程(cheng)使用。例如，打印(yin)機(ji)在打印(yin)一份文檔時(shi)，不(bu)(bu)能同時(shi)被(bei)其他進程(cheng)使用來打印(yin)不(bu)(bu)同的文檔。
2. 示例
在(zai)(zai)一個(ge)數(shu)據(ju)庫系統中，假設一個(ge)數(shu)據(ju)記(ji)錄(lu)正在(zai)(zai)被(bei)一個(ge)進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)進(jin)(jin)行(xing)寫操作，那么(me)在(zai)(zai)這個(ge)寫操作完成之前，其他(ta)進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)不能(neng)同時對(dui)該數(shu)據(ju)記(ji)錄(lu)進(jin)(jin)行(xing)讀寫操作，以保證數(shu)據(ju)的(de)(de)一致性(xing)。這就(jiu)體現了資源(yuan)的(de)(de)互斥(chi)性(xing)。如果(guo)多個(ge)進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)都需要對(dui)這個(ge)數(shu)據(ju)記(ji)錄(lu)進(jin)(jin)行(xing)修(xiu)改，而沒(mei)有(you)合(he)適的(de)(de)資源(yuan)分配(pei)機制，就(jiu)可能(neng)導(dao)致死鎖(suo)。
（二）請(qing)求和保持條件
1. 含義
進程(cheng)在持有(you)至少(shao)一(yi)(yi)個資(zi)源(yuan)的(de)(de)情(qing)況下，又請(qing)求(qiu)其他(ta)資(zi)源(yuan)，并且在請(qing)求(qiu)新(xin)資(zi)源(yuan)時(shi)不會(hui)釋(shi)(shi)放已(yi)持有(you)的(de)(de)資(zi)源(yuan)。例如(ru)，一(yi)(yi)個進程(cheng)已(yi)經占用(yong)了一(yi)(yi)部分內存空間(jian)，同時(shi)又請(qing)求(qiu)訪(fang)問磁盤資(zi)源(yuan)，但它(ta)不會(hui)在請(qing)求(qiu)磁盤資(zi)源(yuan)時(shi)釋(shi)(shi)放已(yi)占用(yong)的(de)(de)內存。
2. 示例
一(yi)個(ge)(ge)圖(tu)像處理(li)程(cheng)(cheng)序(xu)，它(ta)可(ke)能已經占用了一(yi)定(ding)的內(nei)存(cun)來存(cun)儲(chu)圖(tu)像數據，然(ran)后又請求 CPU 資(zi)源來進(jin)(jin)行圖(tu)像處理(li)運算(suan)。在等待(dai) CPU 資(zi)源分(fen)配(pei)的過程(cheng)(cheng)中，它(ta)仍然(ran)保持著對已占用內(nei)存(cun)的控制(zhi)權。如果(guo)此(ci)時另一(yi)個(ge)(ge)進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)也需(xu)要大量內(nei)存(cun)，并且系統中沒有足夠(gou)的可(ke)用內(nei)存(cun)滿足其(qi)需(xu)求，同時第(di)一(yi)個(ge)(ge)進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)又一(yi)直(zhi)等待(dai) CPU 資(zi)源而(er)不釋放(fang)內(nei)存(cun)，就可(ke)能引發死鎖。
（三）不剝奪(duo)條件
1. 含義
進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)已(yi)獲得(de)的(de)資源在未使用完之前，不(bu)能被其(qi)他進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)強行剝奪(duo)，只能由該(gai)進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)自己主動釋(shi)放(fang)。例(li)如，一個進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)獲得(de)了打(da)(da)印(yin)(yin)機(ji)的(de)使用權，在它完成打(da)(da)印(yin)(yin)任務之前，其(qi)他進(jin)(jin)程(cheng)(cheng)不(bu)能強行搶占打(da)(da)印(yin)(yin)機(ji)資源。
2. 示例
在(zai)一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)文(wen)(wen)(wen)件編輯(ji)系統中，一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)進(jin)(jin)程(cheng)打開了一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)文(wen)(wen)(wen)件進(jin)(jin)行(xing)(xing)編輯(ji)，在(zai)它(ta)保存并關(guan)閉文(wen)(wen)(wen)件之前，其他(ta)進(jin)(jin)程(cheng)不能(neng)直接奪取(qu)該(gai)文(wen)(wen)(wen)件的控制權。如果在(zai)這個(ge)(ge)(ge)過程(cheng)中，該(gai)進(jin)(jin)程(cheng)又請求(qiu)其他(ta)資源(yuan)（如網絡連接來(lai)上傳文(wen)(wen)(wen)件），而系統無法滿足(zu)其新的請求(qiu)，同時其他(ta)進(jin)(jin)程(cheng)又需要該(gai)文(wen)(wen)(wen)件資源(yuan)進(jin)(jin)行(xing)(xing)相關(guan)操作(zuo)（如讀(du)取(qu)文(wen)(wen)(wen)件內容進(jin)(jin)行(xing)(xing)分析），就可能(neng)導致死鎖。
（四）環路(lu)等待條件(jian)
1. 含義
存在一(yi)(yi)種(zhong)進(jin)程資(zi)源(yuan)(yuan)的(de)循環等(deng)(deng)(deng)待鏈(lian)，即進(jin)程集合(he) {P0, P1, …, Pn} 中，P0 等(deng)(deng)(deng)待 P1 占有(you)(you)的(de)資(zi)源(yuan)(yuan)，P1 等(deng)(deng)(deng)待 P2 占有(you)(you)的(de)資(zi)源(yuan)(yuan)，……，Pn 等(deng)(deng)(deng)待 P0 占有(you)(you)的(de)資(zi)源(yuan)(yuan)。例如，有(you)(you)三個進(jin)程 A、B、C，A 持有(you)(you)資(zi)源(yuan)(yuan) R1 并(bing)等(deng)(deng)(deng)待資(zi)源(yuan)(yuan) R2（被(bei) B 持有(you)(you)），B 持有(you)(you)資(zi)源(yuan)(yuan) R2 并(bing)等(deng)(deng)(deng)待資(zi)源(yuan)(yuan) R3（被(bei) C 持有(you)(you)），C 持有(you)(you)資(zi)源(yuan)(yuan) R3 并(bing)等(deng)(deng)(deng)待資(zi)源(yuan)(yuan) R1（被(bei) A 持有(you)(you)），這(zhe)樣就(jiu)形成了(le)一(yi)(yi)個環路等(deng)(deng)(deng)待。
2. 示例
在一個(ge)分布式計算(suan)系統(tong)中，假設有多個(ge)節(jie)(jie)(jie)點(dian)，每個(ge)節(jie)(jie)(jie)點(dian)都(dou)有自己的(de)本地資源和需要(yao)(yao)的(de)遠程資源。節(jie)(jie)(jie)點(dian) A 需要(yao)(yao)從節(jie)(jie)(jie)點(dian) B 獲取(qu)數(shu)據(ju)資源，同時節(jie)(jie)(jie)點(dian) B 需要(yao)(yao)從節(jie)(jie)(jie)點(dian) C 獲取(qu)計算(suan)資源，而(er)節(jie)(jie)(jie)點(dian) C 又(you)需要(yao)(yao)從節(jie)(jie)(jie)點(dian) A 獲取(qu)存儲資源。如果(guo)沒(mei)有合(he)理的(de)資源協調機制(zhi)，就可(ke)能出現環路等待，導致死鎖。
三、死鎖產生的場景示例
生產者 - 消(xiao)費(fei)者問題(ti)中的(de)死(si)鎖可能(neng)
1. 問題描述(shu)
生(sheng)產(chan)(chan)(chan)者(zhe)負責生(sheng)產(chan)(chan)(chan)產(chan)(chan)(chan)品并(bing)將其(qi)放入緩(huan)沖(chong)區，消(xiao)費(fei)(fei)(fei)者(zhe)從(cong)緩(huan)沖(chong)區中(zhong)取出(chu)產(chan)(chan)(chan)品進行消(xiao)費(fei)(fei)(fei)。假設(she)緩(huan)沖(chong)區是有限大小(xiao)的，并(bing)且有一個互斥鎖(suo)用(yong)于保護緩(huan)沖(chong)區的訪問，以(yi)及兩個信號量(liang)分別(bie)表示(shi)緩(huan)沖(chong)區中(zhong)可用(yong)的空(kong)位(wei)置(zhi)數(shu)量(liang)和(he)已占(zhan)用(yong)的產(chan)(chan)(chan)品數(shu)量(liang)。如果(guo)生(sheng)產(chan)(chan)(chan)者(zhe)在(zai)緩(huan)沖(chong)區已滿的情(qing)況(kuang)下(xia)仍然嘗試生(sheng)產(chan)(chan)(chan)并(bing)等待(dai)消(xiao)費(fei)(fei)(fei)者(zhe)消(xiao)費(fei)(fei)(fei)，而(er)消(xiao)費(fei)(fei)(fei)者(zhe)在(zai)緩(huan)沖(chong)區為空(kong)的情(qing)況(kuang)下(xia)仍然嘗試消(xiao)費(fei)(fei)(fei)并(bing)等待(dai)生(sheng)產(chan)(chan)(chan)者(zhe)生(sheng)產(chan)(chan)(chan)，就可能導致死鎖(suo)。
2. 分析
互(hu)斥條(tiao)件(jian)是(shi)通過互(hu)斥鎖(suo)來(lai)保證對緩(huan)沖(chong)區的(de)(de)(de)獨占訪(fang)問；請求和保持(chi)條(tiao)件(jian)體現在生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)者(zhe)可能在持(chi)有生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)資(zi)源(yuan)的(de)(de)(de)情況下(xia)等待緩(huan)沖(chong)區有空(kong)閑(xian)位置(zhi)（不釋(shi)放已(yi)有的(de)(de)(de)資(zi)源(yuan)），消(xiao)費(fei)(fei)者(zhe)可能在持(chi)有消(xiao)費(fei)(fei)資(zi)源(yuan)的(de)(de)(de)情況下(xia)等待緩(huan)沖(chong)區有產(chan)品（不釋(shi)放已(yi)有的(de)(de)(de)資(zi)源(yuan)）；不剝奪條(tiao)件(jian)是(shi)一旦生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)者(zhe)或消(xiao)費(fei)(fei)者(zhe)獲(huo)得了(le)部分資(zi)源(yuan)（如互(hu)斥鎖(suo)），就不會被強行剝奪；環(huan)路等待條(tiao)件(jian)是(shi)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)者(zhe)等待消(xiao)費(fei)(fei)者(zhe)消(xiao)費(fei)(fei)以釋(shi)放緩(huan)沖(chong)區空(kong)間，消(xiao)費(fei)(fei)者(zhe)等待生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)者(zhe)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)產(chan)品，形成了(le)一種潛(qian)在的(de)(de)(de)循環(huan)等待。
四、如何預防和避免死鎖
（一） 破壞互斥條件
在(zai)某些情況下，可(ke)以(yi)通過采(cai)用允許資源共享的技(ji)術來部分破(po)壞(huai)互(hu)斥條(tiao)件，但這需(xu)要謹慎設計(ji)，確保不(bu)會影響數據的一致性和完整性。例如，對于一些只讀(du)(du)資源，可(ke)以(yi)允許多(duo)(duo)個進程(cheng)(cheng)同時讀(du)(du)取(qu)。在(zai)一個文(wen)件系統中，如果多(duo)(duo)個進程(cheng)(cheng)只是(shi)讀(du)(du)取(qu)一個配置文(wen)件，那么可(ke)以(yi)通過適(shi)當(dang)的機制(zhi)讓它(ta)們同時讀(du)(du)取(qu)，而不(bu)是(shi)互(hu)斥地訪(fang)問。但對于可(ke)寫資源，仍然需(xu)要保證互(hu)斥訪(fang)問。
（二）破壞請求(qiu)和保持條件
可以采用一(yi)次(ci)性請求所(suo)有(you)(you)資(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)的(de)策略(lve)，即(ji)進(jin)程在(zai)運行(xing)前(qian)一(yi)次(ci)性申(shen)請它(ta)所(suo)需要的(de)所(suo)有(you)(you)資(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)，如(ru)果(guo)(guo)系統不(bu)能滿足全(quan)部請求，那(nei)么該進(jin)程就等待，而不(bu)是先占用部分資(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)再請求其他資(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)。例如(ru)，一(yi)個(ge)數(shu)據庫事務在(zai)開(kai)始執行(xing)前(qian)，一(yi)次(ci)性申(shen)請它(ta)需要的(de)所(suo)有(you)(you)數(shu)據鎖和(he)資(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)，如(ru)果(guo)(guo)無(wu)法(fa)滿足，則不(bu)開(kai)始執行(xing)，避免了持(chi)有(you)(you)部分資(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)并(bing)等待其他資(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)的(de)情況。
或者(zhe)采用資(zi)(zi)源預(yu)(yu)分配(pei)策略，在進程運行前(qian)，提前(qian)為其分配(pei)一些必要(yao)的資(zi)(zi)源，確(que)保它(ta)在運行過程中不會因為資(zi)(zi)源不足而陷入(ru)死鎖。但這種方法需(xu)(xu)要(yao)準確(que)預(yu)(yu)測進程所(suo)需(xu)(xu)資(zi)(zi)源，否則可(ke)能會導致資(zi)(zi)源浪費(fei)。
（三(san)）破壞不剝奪條件
可以(yi)采用(yong)剝奪(duo)(duo)式資(zi)(zi)源(yuan)(yuan)分配策略，即當一(yi)個(ge)(ge)進(jin)(jin)程請求的資(zi)(zi)源(yuan)(yuan)不能立即滿(man)足時(shi)，系(xi)統(tong)可以(yi)剝奪(duo)(duo)該(gai)進(jin)(jin)程已占有的資(zi)(zi)源(yuan)(yuan)，分配給(gei)其他更(geng)緊急的進(jin)(jin)程。例如(ru)，在一(yi)個(ge)(ge)實時(shi)操作系(xi)統(tong)中，如(ru)果一(yi)個(ge)(ge)低(di)優先(xian)級(ji)進(jin)(jin)程占用(yong)了關(guan)鍵資(zi)(zi)源(yuan)(yuan)但(dan)長時(shi)間不使(shi)用(yong)，而(er)一(yi)個(ge)(ge)高優先(xian)級(ji)的實時(shi)任(ren)(ren)務需要該(gai)資(zi)(zi)源(yuan)(yuan)，系(xi)統(tong)可以(yi)剝奪(duo)(duo)低(di)優先(xian)級(ji)進(jin)(jin)程的資(zi)(zi)源(yuan)(yuan)，分配給(gei)高優先(xian)級(ji)任(ren)(ren)務。但(dan)這種策略需要謹慎實施，以(yi)避免進(jin)(jin)程頻繁(fan)被剝奪(duo)(duo)資(zi)(zi)源(yuan)(yuan)而(er)導致系(xi)統(tong)性能下(xia)降。
（四）破壞(huai)環路等待條件(jian)
可(ke)以(yi)(yi)采用資(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)有序分(fen)(fen)配策略，為(wei)系統(tong)中的(de)(de)所有資(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)分(fen)(fen)配一(yi)個(ge)唯一(yi)的(de)(de)編(bian)號(hao)，進(jin)程必(bi)須按照資(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)編(bian)號(hao)的(de)(de)升序請求資(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)。例如(ru)(ru)，假(jia)設有資(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan) R1（編(bian)號(hao)為(wei) 1）、R2（編(bian)號(hao)為(wei) 2）和 R3（編(bian)號(hao)為(wei) 3），一(yi)個(ge)進(jin)程如(ru)(ru)果需要同時使(shi)用這三個(ge)資(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)，必(bi)須先請求 R1，再(zai)請求 R2，最后請求 R3。這樣(yang)就可(ke)以(yi)(yi)避免形成環路(lu)等(deng)待。在一(yi)個(ge)操作系統(tong)中，對于設備資(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)的(de)(de)分(fen)(fen)配可(ke)以(yi)(yi)采用這種方式，如(ru)(ru)先分(fen)(fen)配磁(ci)盤資(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)（編(bian)號(hao)較小），再(zai)分(fen)(fen)配網絡資(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)（編(bian)號(hao)較大）等(deng)。
五、總結
進程死鎖是操作系統中一(yi)個需(xu)要深入(ru)理(li)(li)解和(he)(he)(he)妥善處(chu)理(li)(li)的(de)問(wen)題。了解死鎖產生(sheng)的(de)必要條件以及實(shi)際場景(jing)中的(de)示例，有助(zhu)于(yu)我們在設計(ji)和(he)(he)(he)開發系統時采取有效的(de)預(yu)防(fang)措施。通(tong)過合理(li)(li)的(de)資源管(guan)理(li)(li)和(he)(he)(he)分配策略，我們可以最大程度地減少死鎖的(de)發生(sheng)，提高系統的(de)可靠性(xing)和(he)(he)(he)性(xing)能。在實(shi)際應用中，需(xu)要根(gen)據(ju)系統的(de)特點(dian)和(he)(he)(he)需(xu)求，綜合運(yun)用多種方(fang)法(fa)來(lai)避免死鎖，保障系統的(de)正常(chang)運(yun)行。
