死鎖產生的原因以及避免死鎖的算法

一.死鎖的概念

在多道程序系統中，雖可藉助於多個進程的併發執行，來改善系統的資源利用率，提高系統的吞吐量，但可能發生一種危險━━死鎖。所謂死鎖(Deadlock),是指多個進程在運行中因爭奪資源而造成的一種僵局(Deadly_Embrace),當進程處於這種僵持狀態時，若無外力作用，它們都將無法再向前推進。一組進程中，每個進程都無限等待被該組進程中另一進程所佔有的資源，因而永遠無法得到的資源，這種現象稱爲進程死鎖，這一組進程就稱爲死鎖進程。

二.死鎖產生的原因

產生死鎖的原因主要是：
（1）因爲系統資源不足。
（2）進程運行推進的順序不合適。
（3）資源分配不當等。
如果系統資源充足，進程的資源請求都能夠得到滿足，死鎖出現的可能性就很低，否則就會因爭奪有限的資源而陷入死鎖。其次，進程運行推進順序與速度不同，也可能產生死鎖。
產生死鎖的四個必要條件：
（1）互斥條件：一個資源每次只能被一個進程使用。
（2）請求與保持條件：一個進程因請求資源而阻塞時，對已獲得的資源保持不放。
（3）不剝奪條件:進程已獲得的資源，在末使用完之前，不能強行剝奪。
（4）循環等待條件:若干進程之間形成一種頭尾相接的循環等待資源關係。

這四個條件是死鎖的必要條件，只要系統發生死鎖，這些條件必然成立，而只要上述條件之一不滿足，就不會發生死鎖。

死鎖的解除與預防：
理解了死鎖的原因，尤其是產生死鎖的四個必要條件，就可以最大可能地避免、預防和解除死鎖。所以，在系統設計、進程調度等方面注意如何不讓這四個必要條件成立，如何確定資源的合理分配算法，避免進程永久佔據系統資源。此外，也要防止進程在處於等待狀態的情況下佔用資源。因此，對資源的分配要給予合理的規劃。

二.數據結構設計

（一）可利用資源向量矩陣AVAILABLE。這是一個含有m個元素的數組，其中的每一個元素代表一類可利用的資源數目，其初始值是系統中所配置的該類全部可用資源的數目，其數值隨該類資源的分配和回收而動態地改變。如果AVAILABLE [j]= K，則表示系統中現有R類資源K個
（二）最大需求矩陣MAX。這是一個n*m的矩陣，用以表示每一個進程對m類資源的最大需求。如果MAX =K，則表示進程i需要R類資源的數目爲K。
（三）分配矩陣ALLOCATION。這也是一個n*m的矩陣，它定義了系統中每一類資源當前已分配給每一進程的資源數。如果ALLOCATION =K，則表示進程i當前已分得R類資源的數目爲K。（四）需求矩陣NEED。這也是一個n*m的矩陣，用以表示每一個進程尚需的各類資源數。如果NEED =K，則表示進程i還需要R類資源K個，才能完成其任務。上述矩陣存在下述關係： NEED = MAX-ALLOCATION

三.算法實現

（一）初始化由用戶輸入數據，分別對可利用資源向量矩陣AVAILABLE、最大需求矩陣MAX、分配矩陣ALLOCATION、需求矩陣NEED賦值。
（二）銀行家算法在避免死鎖的方法中，所施加的限制條件較弱，有可能獲得令人滿意的系統性能。在該方法中把系統的狀態分爲安全狀態和不安全狀態，只要能使系統始終都處於安全狀態，便可以避免發生死鎖。銀行家算法的基本思想是分配資源之前,判斷系統是否是安全的;若是,才分配。它是最具有代表性的避免死鎖的算法。設進程cusneed提出請求REQUEST ，則銀行家算法按如下規則進行判斷。
(1)如果REQUEST [cusneed] <= NEED[cusneed]，則轉(2)；否則，出錯。
(2)如果REQUEST [cusneed] <= AVAILABLE[cusneed]，則轉(3)；否則，出錯。 (3)系統試探分配資源，修改相關數據：
AVAILABLE-=REQUEST[cusneed]; ALLOCATION[cusneed]+=REQUEST[cusneed];
NEED[cusneed]-=REQUEST[cusneed];
(4)系統執行安全性檢查，如安全，則分配成立；否則試探險性分配作廢，系統恢復原狀，進程等待。
（三）安全性檢查算法
(1)設置兩個工作向量Work=AVAILABLE;FINISH
(2)從進程集合中找到一個滿足下述條件的進程，
FINISH==false;
NEED<=Work;
如找到，執行(3)；否則，執行(4)
(3)設進程獲得資源，可順利執行，直至完成，從而釋放資源。 Work+=ALLOCATION; Finish=true; GOTO 2
(4)如所有的進程Finish= true，則表示安全；否則系統不安全。

四.源程序清單

#include <iostream> using namespace std; 
#define MAXPROCESS 50                         /*最大進程數*/
#define MAXRESOURCE 100                         /*最大資源數*/  
int AVAILABLE[MAXRESOURCE];                     /*可用資源數組*/  
int MAX[MAXPROCESS][MAXRESOURCE];             /*最大需求矩陣*/ 
int ALLOCATION[MAXPROCESS][MAXRESOURCE];     /*分配矩陣*/ 
int NEED[MAXPROCESS][MAXRESOURCE];             /*需求矩陣*/  
int REQUEST[MAXPROCESS][MAXRESOURCE];         /*進程需要資源數*/ 
bool FINISH[MAXPROCESS];                         /*系統是否有足夠的資源分配*/ 
int p[MAXPROCESS];                             /*記錄序列*/
int m,n;                                     /*m個進程,n個資源*/ void Init(); bool Safe(); void Bank(); int main() 
{       
    Init();      
    Safe();      
    Bank(); 
}  
void Init()                 /*初始化算法*/
{       
    int i,j;           
    cout<<"請輸入進程的數目:";      
    cin>>m;       
    cout<<"請輸入資源的種類:";      
    cin>>n;       
    cout<<"請輸入每個進程最多所需的各資源數,按照"<<m<<"x"<<n<<"矩陣輸入"<<endl;      
    for(i=0;i<m;i++)      
        for(j=0;j<n;j++)      
            cin>>MAX[j];       
    cout<<"請輸入每個進程已分配的各資源數,也按照"<<m<<"x"<<n<<"矩陣輸入"<<endl;      for(i=0;i<m;i++)
    {           
        for(j=0;j<n;j++)
        {
            cin>>ALLOCATION[j];
            NEED[j]=MAX[j]-ALLOCATION[j];
            if(NEED[j]<0)              
            {                   
                cout<<"您輸入的第"<<i+1<<"個進程所擁有的第"<<j+1<<"個資源數錯誤,請重新輸入:"<<endl;
                j--;
                continue;
            }          
        }      
    }       
    cout<<"請輸入各個資源現有的數目:"<<endl;
    for(i=0;i<n;i++)      
    {           
        cin>>AVAILABLE;
    } 
}  
void Bank()                 /*銀行家算法*/ 
{
    int i,cusneed;
    char again;
    while(1)
    {
        cout<<"請輸入要申請資源的進程號(注:第1個進程號爲0,依次類推)"<<endl;
        cin>>cusneed;
        cout<<"請輸入進程所請求的各資源的數量"<<endl;
        for(i=0;i<n;i++)
        {
            cin>>REQUEST[cusneed];
        }
        for(i=0;i<n;i++)
        {
            if(REQUEST[cusneed]>NEED[cusneed])
            {
                cout<<"您輸入的請求數超過進程的需求量!請重新輸入!"<<endl;
                continue;
            }
            if(REQUEST[cusneed]>AVAILABLE)
            {
                cout<<"您輸入的請求數超過系統有的資源數!請重新輸入!"<<endl;
                continue;
            }
        }
        for(i=0;i<n;i++)
        {
            AVAILABLE-=REQUEST[cusneed];
            ALLOCATION[cusneed]+=REQUEST[cusneed];
            NEED[cusneed]-=REQUEST[cusneed];
        }
        if(Safe())
        {
            cout<<"同意分配請求!"<<endl;
        }
        else
        {
            cout<<"您的請求被拒絕!"<<endl;
            for(i=0;i<n;i++)
            {
                AVAILABLE+=REQUEST[cusneed];
                ALLOCATION[cusneed]-=REQUEST[cusneed];
                NEED[cusneed]+=REQUEST[cusneed];
            }
        }
        for(i=0;i<m;i++)
        {
            FINISH=false;
        }
        cout<<"您還想再次請求分配嗎?是請按y/Y,否請按其它鍵"<<endl;
        cin>>again;
        if(again=='y'||again=='Y')
        {
            continue;
        }
        break;
    }
}
bool Safe()/*安全性算法*/ 
{
    int i,j,k,l=0;
    int Work[MAXRESOURCE];/*工作數組*/
    for(i=0;i<n;i++)
        Work=AVAILABLE;
    for(i=0;i<m;i++)
    {
        FINISH=false;
    }
    for(i=0;i<m;i++)
    {
        if(FINISH==true)
        {
            continue;
        }
        else
        {
            for(j=0;j<n;j++)
            {
                if(NEED[j]>Work[j])
                {
                    break;
                }
            }
            if(j==n)
            {
                FINISH=true;
                for(k=0;k<n;k++)
                {
                    Work[k]+=ALLOCATION[k];
                }
                p[l++]=i;
                i=-1;
            }
            else
            {
                continue;
            }
        }
        if(l==m)
        {
            cout<<"系統是安全的"<<endl;
            cout<<"安全序列:"<<endl;
            for(i=0;i<l;i++)
            {
                cout<<p;
                if(i!=l-1)
                {
                    cout<<"-->";
                }
            }
            cout<<""<<endl;
            return true;
        }
    }
    cout<<"系統是不安全的"<<endl;
    return false;
}

五.實驗分析：

（1）下列狀態是否安全？(三個進程共享12個同類資源) 進程已分配資源數最大需求數
1 1 4 (狀態a)
2 4 4
3 5 8
1 1 4 (狀態b)
2 4 6
3 6 8
狀態a安全，序列爲：2–>1–> 3
狀態b不安全，只剩1個可用資源，收不回已分配資源。
（2）考慮下列系統狀態

分配矩陣	最大需求矩陣	可用資源矩陣
0 0 1 2	0 0 1 2	1 5 2 0
1 0 0 0	1 7 5 0
1 3 5 4	2 3 5 6
0 6 3 2	0 6 5 2
0 0 1 4	0 6 5 6

問系統是否安全？若安全就給出所有的安全序列。若進程2請求(0420)，可否立即分配？
答：安全。安全序列爲：1–>3–>2–>5–>4。若進程2請求(0420)，可立即分配。分配後可用資源爲1 1 0 0，回收1進程資源，可用資源數爲：1 1 1 2，然後執行3–>2–>5–>4序列。

死鎖產生的原因以及避免死鎖的算法

一.死鎖的概念

二.死鎖產生的原因

二.數據結構設計

三.算法實現

四.源程序清單

五.實驗分析：

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