操作系统 | 死锁 | 问题2

介绍

在多任务操作系统中，由于任务之间的相互依赖和资源竞争，可能会发生死锁问题。死锁指两个或多个进程/线程在等待对方释放资源，导致所有进程/线程都被阻塞并无法继续执行的情况。本文将介绍死锁的原因、表现和预防方法，帮助程序员有效解决死锁问题。

死锁的原因

死锁通常发生在以下情况：

• 互斥条件：多个进程/线程竞争同一资源，如磁盘空间、打印机、CPU等。
• 不可剥夺条件：已经被一个进程/线程占用的资源不能被其他进程/线程强行抢占。
• 请求和保持条件：进程/线程已经占有了一部分资源，但又请求更多资源，此时未满足请求的资源会被占用，直到满足条件后才释放。
• 循环等待条件：存在一个进程/线程资源请求链，每个进程/线程都在等待下一个进程/线程释放它所需要的资源，最终形成一个闭环。

这些条件同时满足时，就会发生死锁。

死锁的表现

死锁的表现有以下几点：

• 进程/线程被阻塞无法执行。
• 进程/线程无法释放已占用的资源。
• 系统运行效率下降。
• 系统出现停滞或死机等异常情况。

当程序出现以上表现时，就需要考虑是否发生了死锁。

死锁的预防方法

因为死锁带来的后果非常严重，为了避免死锁的发生，我们可以采取以下预防措施：

• 破坏互斥条件：在资源竞争时，采用非互斥的方法来访问共享资源，如引入读写锁或Semaphore等机制。
• 破坏不可剥夺条件：在资源竞争时，可以引入抢占机制，如果某个进程/线程等待时间太长，则强制放弃已占用的资源，并进行资源重分配。
• 破坏请求和保持条件：在申请资源时，一次性获取所有需要的资源，而不是分多次获取。
• 破坏循环等待条件：按照资源申请的层级关系，对资源进行编号，要求进程/线程按编号顺序申请资源，避免产生循环依赖。

代码片段

# 使用Semaphore机制，解决多个线程对共享资源的互斥竞争
import threading

class SharedObject:
    def __init__(self):
        self.resource = "Shared resource"
        self.mutex = threading.Semaphore(1)

    def modify(self, thread_id):
        self.mutex.acquire()
        print(f'Thread {thread_id} modifying SharedObject')
        self.resource = f'Resource modified by Thread {thread_id}'
        self.mutex.release()

def worker(thread_id, shared_object):
    shared_object.modify(thread_id)

shared_object = SharedObject()
threads = [threading.Thread(target=worker, args=(i, shared_object)) for i in range(10)]
for thread in threads:
    thread.start()
for thread in threads:
    thread.join()

以上代码使用了Semaphore机制，确保了多个线程对共享资源的互斥竞争。在修改资源时，首先请求Semaphore，然后进行修改，最后释放Semaphore。

使用这种方式可以有效避免互斥条件导致的死锁问题。

结论

死锁是多任务操作系统中常见的问题，它会导致系统处于阻塞状态，严重影响系统的稳定性和性能。要有效避免死锁的发生，需要程序员在编写代码时仔细思考和预防可能出现的情况，尤其是多线程/进程和多台计算机间的通信和协作。