死锁：当程序 “卡住“ 时，发生了什么？

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1. 死锁的定义

死锁是指在多个进程或线程中，由于彼此之间的资源请求和占用关系，导致它们相互等待对方释放资源，从而进入一种无法继续执行的状态。

死锁的四个必要条件包括：互斥条件、请求与保持条件、不可剥夺条件和循环等待条件。

2. 死锁的四个必要条件

• 互斥条件（Mutual Exclusion）：至少有一个资源是以排他方式分配的，即同一时刻只能有一个进程占用该资源。
• 请求与保持条件（Hold and Wait）：一个进程持有至少一个资源，并等待其他进程释放其所需的资源。
• 不可剥夺条件（No Preemption）：资源不能被强行从进程中剥夺，只能在进程释放资源时，其他进程才能获取。
• 循环等待条件（Circular Wait）：存在一个进程等待链，其中每个进程都在等待下一个进程所持有的资源，形成闭环。

当这四个条件同时满足时，死锁就会发生。

3. 死锁的表现

死锁的最直接表现就是系统中有多个进程处于 “阻塞” 状态，并且它们相互之间永远无法释放资源或继续执行。

例如，在数据库中，如果两个事务各自持有锁并等待对方释放锁，那么它们就会陷入死锁，导致系统无法继续执行下去。

4. 死锁的检测与预防

• 死锁预防：通过避免死锁的四个必要条件中的一个或多个来防止死锁发生。常见的策略包括：
  • 破坏互斥条件： 互斥条件是死锁的核心条件之一。虽然无法完全消除互斥，但某些场景下可以通过共享资源的方式，尽量减少互斥。例如，允许多个线程同时读共享资源，但对写操作进行独占控制，这样可以降低死锁的概率。
  • 破坏请求与保持条件： 要求进程在执行期间必须先请求完所需的所有资源，只有在获得所有资源时才能开始执行，而不是逐步申请。通过这种方式，进程就不会在持有部分资源时再请求其他资源，从而避免请求与保持的情况。
  • 破坏不可剥夺条件： 如果某个进程持有部分资源并请求其他资源，则操作系统可以强制回收该进程的资源，从而避免死锁。通过资源的强制剥夺，进程无法继续持有已占用的资源。
  • 破坏循环等待条件： 避免进程间形成循环等待关系。通常可以通过对资源进行有序分配来破坏循环等待。例如，要求进程按照固定的资源请求顺序获取资源，从而避免循环等待。
• 死锁避免：通过分析系统资源的使用情况，在进程请求资源时，判断是否会导致死锁。如果会导致死锁，就不允许该请求执行。常用的算法包括银行家算法。
• 死锁检测：在运行时，系统定期检查是否发生了死锁。可以通过构建资源分配图来检测死锁的存在。如果发现循环等待的情况，就可以终止其中一个或多个进程，以打破死锁。

5. 死锁的解决方案

• 进程终止：一旦系统检测到死锁，可以终止其中一个或多个进程，以释放资源，从而打破死锁。
• 资源剥夺：在某些情况下，操作系统可以强制剥夺某些进程的资源，直到其他进程释放资源，打破死锁。

6. 总结

死锁是多进程或多线程并发执行时，由于资源请求和占用的相互关系，造成的一个系统性问题。

死锁的发生需要满足四个条件：互斥、请求与保持、不可剥夺和循环等待。

为了防止和解决死锁，操作系统可以采用死锁预防、死锁避免、死锁检测和死锁解决等策略，确保系统的高效运行。