91、为什么会产生死锁？

什么是死锁？

死锁（Deadlock） 是指两个或多个进程在执行过程中，因为争夺资源而造成一种互相等待的现象，使得这些进程无法继续执行下去。简单来说，死锁就像是两个司机在狭窄的路口相向而行，互相让路却都不愿意后退，导致双方都无法移动。

死锁产生的四个必要条件

根据经典的死锁理论，死锁的产生需要同时满足以下四个条件：

1. 互斥条件（Mutual Exclusion）：

   • 至少有一个资源必须处于非共享模式，即一次只能被一个进程使用。

2. 占有且等待条件（Hold and Wait）：

   • 一个进程至少已经占有了一个资源，并且正在等待获取被其他进程占有的资源。

3. 不剥夺条件（No Preemption）：

   • 已经分配给一个进程的资源，不能被其他进程强行剥夺，只有在该进程完成任务后才能释放资源。

4. 循环等待条件（Circular Wait）：

   • 存在一个进程环，每个进程都持有下一个进程所需要的资源，形成一个循环等待的链条。

信号量机制中的死锁原因

在使用信号量（Semaphore）进行进程同步与互斥时，如果不谨慎设计，可能会触发上述死锁条件。以下是一些常见的死锁原因：

1. 不一致的信号量获取顺序：

   • 当多个进程以不同的顺序请求多个信号量时，容易形成循环等待。例如，进程A先请求信号量S1，再请求信号量S2；而进程B先请求信号量S2，再请求信号量S1，这样就可能导致死锁。

2. 忘记释放信号量：

   • 如果一个进程在持有信号量后由于异常或错误未能释放信号量，其他进程将永远等待该信号量，导致系统进入死锁状态。

3. 信号量初始值设置不当：

   • 如果信号量的初始值设置不正确，可能导致某些进程无法获取到所需的资源，从而陷入无限等待。

示例：可能导致死锁的信号量使用

考虑以下两个信号量 S1 和 S2，以及两个进程 P1 和 P2：

// 进程 P1
P(S1);
P(S2);
// 临界区
V(S2);
V(S1);// 进程 P2
P(S2);
P(S1);
// 临界区
V(S1);
V(S2);

死锁情景：

1. 进程 P1 先获取 S1，然后尝试获取 S2。
2. 同时，进程 P2 先获取 S2，然后尝试获取 S1。
3. 这样，P1 持有 S1 并等待 S2，而 P2 持有 S2 并等待 S1，形成循环等待，导致死锁。

如何避免死锁

为了防止死锁的发生，可以采取以下策略：

1. 破坏死锁的四个必要条件之一：

   • 避免占有且等待：要求进程在请求资源时，必须一次性请求所需的所有资源，如果无法全部获取，则释放已获取的资源并重试。
   • 资源有序分配：为所有资源分配一个全局顺序，所有进程按照相同的顺序请求资源，避免循环等待。
   • 允许资源被剥夺：如果一个进程等待获取资源超时，系统可以强制剥夺该进程已持有的资源。

2. 确保信号量获取的顺序一致：

   • 设计所有进程按照相同的顺序请求多个信号量，避免不同进程以不同的顺序请求资源，防止循环等待。

3. 正确释放信号量：

   • 确保每个获取操作（P）都有对应的释放操作（V），即使在异常情况下也能正确释放，避免信号量永久被占用。

在之前的信号量问题中如何避免死锁【2011年408真题】

让我们回顾一下之前银行系统和缓冲区问题的信号量设计，并说明如何避免死锁。

银行系统示例

在银行系统中，我们定义了以下信号量：

• mutex_ticket：保护取号机的互斥访问，初始值为1。
• seats：表示等待座位的空闲数量，初始值为10。
• waiting：表示有多少位顾客在等待被叫号，初始值为0。
• service：用于让营业员通知一位顾客开始接受服务，初始值为0。

死锁避免措施：

1. 一致的信号量获取顺序：

   • 顾客在进入等待区时，首先执行 P(seats)，然后执行 P(mutex_ticket)。
   • 营业员在叫号时，首先执行 P(waiting)，然后执行 V(service)。

   由于顾客和营业员获取信号量的顺序不冲突（顾客主要涉及 seats 和 mutex_ticket，营业员涉及 waiting 和 service），不会形成循环等待。

2. 确保信号量的正确释放：

   • 每个 P 操作后都有对应的 V 操作，确保信号量不会被永久占用。

缓冲区问题示例

在缓冲区问题中，我们定义了以下信号量：

• mutex：保护缓冲区的互斥访问，初始值为1。
• empty：表示缓冲区中的空位数量，初始值为N。
• odd_count：表示缓冲区中的奇数数量，初始值为0。
• even_count：表示缓冲区中的偶数数量，初始值为0。

死锁避免措施：

1. 一致的信号量获取顺序：

   • 生产者 P1 首先执行 P(empty)，然后执行 P(mutex)。
   • 消费者 P2（处理奇数）和 P3（处理偶数）分别执行 P(odd_count) 或 P(even_count)，然后执行 P(mutex)。

   由于所有进程在获取互斥信号量 mutex 时，已经通过其他信号量（如 empty, odd_count, even_count）确保缓冲区的状态，一致的获取顺序避免了循环等待。

2. 确保信号量的正确释放：

   • 每个 P(mutex) 操作后都有对应的 V(mutex) 操作，确保缓冲区的互斥访问能够被释放。
   • 生产者和消费者在完成操作后，适时释放 empty, odd_count, even_count 信号量，避免资源被永久占用。

具体示例：避免死锁的代码设计

以银行系统为例，确保死锁不会发生的代码设计如下：

顾客进程 ( P_{\text{customer}} )