死鎖避免

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在涉及多個程序和共享資源的複雜系統中，當程序等待彼此釋放資源時，可能會出現死鎖，導致系統停滯。由此產生的死鎖可能導致計算機系統出現嚴重問題，例如效能下降甚至系統崩潰。為了防止此類問題，採用了死鎖避免技術。它需要仔細檢查程序對資源的請求，並評估可用資源，以確定是否授予此類請求會導致死鎖。如果授予請求會導致死鎖，則系統會拒絕該請求。死鎖避免是作業系統設計中的一個重要方面，在維護計算機系統的可靠性和穩定性方面起著不可或缺的作用。

安全狀態和不安全狀態

安全狀態是指系統狀態，其中向每個程序分配資源可以確保避免死鎖。所有程序的成功執行是可實現的，死鎖的可能性很低。當合適的資源分配順序能夠使所有程序成功完成時，系統達到安全狀態。

相反，不安全狀態意味著系統狀態可能發生死鎖。不能保證所有程序的成功完成，死鎖的風險很高。當沒有資源分配順序能夠確保所有程序成功執行時，系統是不安全的。

死鎖避免演算法

• 當資源類別只有其資源的單個例項時，使用資源分配圖演算法。在此演算法中，迴圈是死鎖的必要且充分條件。

• 當資源類別具有多個資源例項時，使用銀行家演算法。在此演算法中，迴圈是死鎖的必要條件，但不是充分條件。

資源分配圖演算法

資源分配圖 (RAG) 是一種用於死鎖避免的常用技術。它是一個有向圖，表示系統中的程序、可用資源以及它們之間的關係。RAG 中的程序節點有兩種型別的邊：請求邊和分配邊。請求邊表示程序對資源的請求，而分配邊表示將資源分配給程序。

為了確定系統是否處於安全狀態，分析 RAG 以檢查迴圈。如果圖中存在迴圈，則意味著系統處於不安全狀態，並且授予資源請求可能導致死鎖。相反，如果圖中不存在迴圈，則意味著系統處於安全狀態，並且可以繼續分配資源。

不會導致死鎖。

RAG 技術易於實現，並提供了系統中程序和資源的清晰直觀表示。它也是識別死鎖原因（如果發生死鎖）的有效方法。但是，RAG 技術的主要侷限性之一是它假設系統中的所有資源都在分析開始時分配。在實踐中，資源分配可以在系統執行期間動態變化，因此該假設可能不現實。因此，其他技術（例如銀行家演算法）用於克服此侷限性。

銀行家演算法

銀行家演算法是一種用於作業系統的死鎖避免演算法。它由 Edsger Dijkstra 於 1965 年提出。銀行家演算法的工作原理是確保系統有足夠的資源分配給每個程序，以便系統永遠不會進入死鎖狀態。它透過跟蹤系統中可用的資源總數以及分配給每個程序的資源數量來工作。

該演算法用於防止多個程序競爭有限資源集時可能發生的死鎖。資源可以是不同型別的，例如記憶體、CPU 週期或 I/O 裝置。它的工作原理是首先分析系統的當前狀態，並確定授予程序的資源請求是否會導致安全狀態。如果至少存在一個資源分配序列可以滿足所有程序而不會導致死鎖，則該狀態被認為是安全的。

銀行家演算法假設每個程序都會預先宣告其最大資源需求。根據這些資訊，該演算法將資源分配給每個資源分配圖程序，以使已分配資源的總數永遠不會超過可用資源的總數。該演算法不會授予可能導致死鎖情況的資源訪問許可權。銀行家演算法使用一個名為“分配矩陣”的矩陣來跟蹤分配給每個程序的資源，並使用一個名為“請求矩陣”的矩陣來跟蹤每個程序請求的資源。它還使用“需求矩陣”來表示每個程序仍需完成其執行的資源。

為了確定是否可以授予請求，該演算法會檢查是否有足夠的可用資源來滿足請求，然後檢查是否授予請求仍會導致安全狀態。如果可以安全地授予請求，則該演算法會授予資源並相應地更新分配矩陣、請求矩陣和需求矩陣。如果不能安全地授予請求，則程序必須等待，直到有足夠的資源可用。

1. 初始化系統

• 定義程序和資源型別的數量。

• 定義每種資源型別的可用資源總數。

• 建立一個名為“分配矩陣”的矩陣來表示每個程序的當前資源分配。

• 建立一個名為“需求矩陣”的矩陣來表示每個程序剩餘的資源需求。

2. 定義請求

• 程序請求特定型別資源的特定數量。

3. 檢查是否可以授予請求

• 檢查請求的資源是否可用。

• 如果請求的資源不可用，則程序必須等待。

• 如果請求的資源可用，則轉到下一步。

4. 檢查系統是否處於安全狀態

• 模擬將請求的資源分配給程序。

• 檢查此分配是否導致安全狀態，這意味著存在一個可以滿足所有程序而不會導致死鎖的分配序列。

• 如果狀態安全，則透過更新分配矩陣和需求矩陣來授予請求。

• 如果狀態不安全，則不要授予請求並讓程序等待。

釋放資源

• 當程序完成執行後，透過更新分配矩陣和需求矩陣來釋放其已分配的資源。

對系統中任何程序發出的每個資源請求重複上述步驟。總的來說，銀行家演算法是透過仔細管理資源分配和預測潛在衝突來避免資源受限系統中死鎖的有效方法。

結論

死鎖避免是作業系統設計中的一個重要概念，用於防止死鎖的發生，死鎖可能導致系統崩潰和效能下降。
透過使用各種技術，例如資源分配圖和銀行家演算法，作業系統可以確保以防止死鎖發生的方式分配資源。雖然死鎖避免可以有效地防止死鎖，但它也可能在系統資源方面代價高昂，並可能導致系統性能下降。因此，作業系統設計人員必須仔細權衡死鎖避免的益處與成本和潛在缺點。

總的來說，死鎖避免是現代作業系統設計中必不可少的一個方面，它有助於確保計算機系統的穩定性和可靠性。通過了解死鎖避免的原則和技術，系統管理員和開發人員可以構建更強大、更具彈性的系統，這些系統能夠更好地應對現代計算環境的挑戰。