Kapitel 7: Deadlocks

1. Kapitel 7: Deadlocks

2. Deadlock-problemet • Ett system består av en begränsad mängd resurser som ska fördelas mellan ett antal processer • Deadlock - En mängd blockerade processer som var och en håller en resurs och väntar på att få en resurs som hålls av en annan process i mängden • Exempel • Systemet har 2 diskar • P1 och P2 håller var sin disk och behöver den andra disken bägge två • Exempel • semaforerna A och B, initialiserade till 1 P0P1 wait (A); wait(B) wait (B); wait(A)

3. Systemmodell • Resurstyper: R1, R2, . . ., Rm CPU-cykler, minne, I/O-enheter • Varje resurstyp Ri har Wi instanser • Varje process använder en resurs på följande sätt: • request • processen får vänta om resursen är upptagen • use • Release • Oftast programmerarens ansvar, speciellt viktigt vid utveckling av multitrådade program

4. Villkor för deadlock • Mutual exclusion: en resurs kan bara användas av en process i taget • Hold and wait: en process håller minst en resurs och väntar på resurser som hålls av andra processer • No preemption: en resurs kan bara släppas frivilligt av den process som håller den • Circular wait: det finns en mängd {P0, P1, …, P0} väntande processer så att P0 väntar på en resurs som hålls av P1, P1 väntar på en resurs som hålls av P2, …, Pn–1 is väntar på en resurs som hålls av Pn, och P0 väntar på en resurs som hålls av P0. Deadlock kan uppstå om fyra villkor är uppfyllda samtidigt

5. Resursallokeringsgraf Deadlocks kan beskrivas mer precist med en riktad graf - består av en mängd noder V och en mängd pilar E. • V är uppdelad I två typer: • P = {P1, P2, …, Pn}, mängden av alla processer i systemet • R = {R1, R2, …, Rm}, mängden av alla resurstyper I systemet • Begäran-pil – Pi  Rj • Tilldelnings-pil – Rj Pi

6. Resursallokeringsgraf (forts) • Process • Resurstyp med 4 instanser • Pibegär en instans av Rj • Pi håller en instans av Rj Pi Rj Pi Rj

7. Exempel resursallokeringsgraf

8. Resursallokeringsgraf med en deadlock

9. Graf med cykel men utan deadlock

10. Slutsats • Om grafen inte innehåller någon cykel  ingen deadlock • Om grafen innehåller en cykel  • Om det bara finns en instans av varje resurstyp - deadlock • Om det finns flera instanser av varje resurstyp - kanske eller kanske inte deadlock

11. Metoder för att hantera deadlocks • Använda ett protokoll som förebygger eller undviker deadlock • Använda ett protokoll som upptäcker och återhämtar systemet från en deadlock • Ignorera problemet och låtsas som om deadlock inte kan inträffa; används av de flesta OS, inklusive UNIX och Windows

12. Förebygga deadlock • Mutual Exclusion – måste vara uppfyllt för resurser som inte är delbara (t ex skrivare) • Hold and Wait • Antingen får en process alla resurser från början eller så får den bara begära resurser när den inga har • Lågt resursutnyttjande; starvation möjligt Se till att något av villkoren inte kan uppfyllas:

13. Förebygga deadlock (forts) • No Preemption – • Kan användas för resurser såsom CPU-register och minne, men svårare för andra resurser, t ex skrivare • Circular Wait – ge ett nummer till alla resurstyper och kräva att processerna begär resurser i stigande nummerordning

14. Undvika deadlock • Enklaste modellen – varje process deklarerar det maximala antalet resurser av varje typ den kommer att använda • En algoritm undersöker sen dynamiskt tillståndet på resursallokeringen • Tillståndet definieras av antalet tillgängliga och allokerade resurser och processernas max-krav Systemet har mer information om hur resurser kommer att efterfrågas

15. Säkert tillstånd (Safe State) • När en process begär en tillgänglig resurs måste systemet bestämma om systemet hamnar i ett säkert tillstånd om resursen allokeras till processen • Säkert tillstånd – systemet kan allokera resurser till varje process i någon ordning och ändå undvika deadlock • Om ingen sådan ordning finns så befinner sig systemet i ett osäkert tillstånd – deadlock kan inträffa

16. Safe, Unsafe , Deadlock State

17. Resursallokeringsgraf • En resursallokeringsgraf kan användas när en enda instans av varje resurstyp finns • En streckad pil Pi Rj indikerar att process Pj kan komma att begära resurs Rj • Konverteras till en begäran-pil när processen begär en resurs • Begäran kan uppfyllas om ingen cykel finns i grafen – säkert tillstånd • Konverteras till en tilldelnings-pil när resursen allokeras till processen

18. Resursallokeringsgraf

19. Osäkert tillstånd i en Resursallokeringsgraf

20. Banker’s Algorithm • Används när flera instanser av varje resurstyp finns • Varje process deklarerar max antal av varje resurstyp • När en process begär en resurs kollar systemet först om allokeringen kommer att lämna systemet i ett säkert tillstånd

21. Datastrukturer för Banker’s Algorithm • Available: Vektor av längden m. antal instanser av varje resurs • Max: matris med storleken n x m • Allocation: matris med storleken n x m • Need: matris med storleken n x m Need [i,j] = Max[i,j] – Allocation [i,j] n = antal processer, m = antal resurstyper.

22. Algoritm för säkert tillstånd 1. Låt Work och Finishvara vektorer med längderna m and n. Initialisera: Work = Available Finish [i] = false för i = 0, 1, …, n- 1 2. Hitta ett index i så att både: (a) Finish [i] = false (b) Needi Work Om inget sådant i existerar, gå till steg 4 3. Work = Work + AllocationiFinish[i] = truegå till steg 2 4. Om Finish [i] == true för alla i är systemet i ett säkert tillstånd

23. Algorithm för begäran av resurser Request = vektor för process Pi. Om Requesti[j] = k vill process Pi ha k instanser av resurstyp Rj 1. Om Requesti Needigå till steg 2. Om ej, felmeddelande 2. Om Requesti Available, gå till steg 3. Om ej måste Pi vänta 3. Låtsas att allokera de begärda resurserna till Pi genom att göra följande: Available = Available – Request; Allocationi= Allocationi + Requesti; Needi= Needi – Requesti; • Om säkert  allokera resurserna till Pi • Om osäkert  Pi måste vänta

24. Exempel på Banker’s Algorithm • 5 processer P0 till P4; 3 resurstyper: A (10 instanser), B (5 instanser), och C (7 instanser) Tillstånd vid tiden T0: AllocationMaxAvailable A B C A B C A B C P0 0 1 0 7 5 3 3 3 2 P1 2 0 0 3 2 2 P2 3 0 2 9 0 2 P3 2 1 1 2 2 2 P4 0 0 2 4 3 3

25. Exempel (forts) • Innehållet i matrisen Need definieras som Max – Allocation Need A B C P0 7 4 3 P1 1 2 2 P2 6 0 0 P3 0 1 1 P4 4 3 1 • Systemet är i ett säkert tillstånd eftersom ordningen < P1, P3, P4, P2, P0> uppfyller kriterierna

26. Exempel: P1 begär (1,0,2) • Kolla att Request  Available (dvs, (1,0,2)  (3,3,2)  true AllocationNeedAvailable ABC A B C A B C P0 0 1 0 7 4 3 2 3 0 P1 3 0 2 0 2 0 P2 3 0 1 6 0 0 P3 2 1 1 0 1 1 P4 0 0 2 4 3 1 • Algoritmen visar att ordningen < P1, P3, P4, P0, P2> uppfyller villkoren • Kan en begäran av (3,3,0) av P4 beviljas? • Kan en begäran av(0,2,0) av P0 beviljas?

27. Upptäcka deadlock Algoritm när alla resurstyper bara har en instans: • Använd en wait-for graf • Noderna är processer • Pi Pj om Piväntar på Pj • Med jämna mellanrum söker algoritmen efter cykler i grafen. Om en cykel finns är systemet i deadlock • Hur ofta ska grafen genomsökas?

28. Resursallokeringsgraf och Wait-for graf Resursallokeringsgraf motsvarande wait-for graf

29. Återhämtning från deadlock: Process-terminering • Avsluta alla processer i deadlock • Avsluta en process åt gången tills deadlock-cykeln försvinner • I vilken ordning skall vi avsluta processerna? • Processens prioritet • Hur länge processen har exekverat, hur länge den har kvar • Resurser som processen har använt • Resurser som processen behöver • Hur många processer som behöver avslutas • Är processen interaktiv eller batch?