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Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition

Capítulo 7: Deadlocks

7.2 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition

O Problema do Deadlock

Um conjunto de processos bloqueados, cada um bloqueando um recurso e esperando adquirir um recurso bloqueado por outro processo do conjunto

Exemplo

Sistema com dois drivers de disco

P1 e P2 possuem um driver e querem adquirir mais um driver

Exemplo

Semáforos A e B, inicializados como 1

P0 P1

wait (A); wait (B);

wait(B) ; wait(A);


Exemplo do cruzamento da ponte

Apenas uma mão por vez

Cada seção da ponte pode ser vista como um recurso

Se um deadlock ocorrer, ele pode ser resolvido se um dos carros der ré (libera recursos e desfaz a ação)

Pode ser necessário mover muitos carros se um deadlock ocorrer

Inanição é possível

Observação

A maioria dos OSs não evitam ou lidam com deadlocks


Exemplo de deadlock

Thread-sem-deadlock.py

Thread-com-deadlock.py


Modelo do Sistema

Tipos de recurso: R1, R2, . . ., Rm

Exemplos: Ciclos de CPU, espaço de memória, dispositivos de E/S

Cada recurso do tipo Ri tem Wi instâncias

Cada processo usa um recurso da seguinte forma:

requisita

usa

libera


Caracterização do deadlock

Exclusão mútua: apenas um processo pode usar um certo recurso de cada vez

Posse e espera: um processo bloqueando pelo menos um recurso está esperando para obter recursos adicionais bloqueados por outros processos

Sem preempção: um recurso pode ser liberado apenas voluntariamente por um processo, após o processo ter concluído as suas tarefas

Espera circular: existe um conjunto {P0, P1, …, Pn} de processos esperando de tal forma que P0 está esperando por um recurso que está bloqueado por P1, P1 está esperando por um recurso que está bloqueado por P2, …, Pn–1 está esperando por um recurso que está bloqueado por Pn, e Pn está esperando por um recurso que está bloqueado por P0.

O deadlock pode ocorrer se 4 condições ocorrem simultaneamente:


Grafo de alocação de recursos

V é particionado em dois tipos:

P = {P1, P2, …, Pn}

Conjunto com todos os processos do sistema

R = {R1, R2, …, Rm}

Conjunto de todos os recursos do sistema

Aresta de requisição – aresta direcionada Pi Rj

Aresta de atribuição – aresta direcionada Rj Pi

Conjunto de vértices V e conjunto de arestas E.


Grafo de alocação de recursos

Processo

Tipo de recurso com 4 instâncias

Pi requisita uma instância de Rj

Pi está bloqueando uma instância de Rj

Pi

Pi

Rj

Rj


Exemplo de grafo de alocação de recursos


Grafo de alocação de recursos com deadlock


Grafo de alocação de recursos com ciclo, mas sem deadlock


Fatos básicos

Se um grafo não contém ciclos ausência de deadlock

Se um grafo contém ciclos Se existe apenas um instância de cada tipo de recurso, então

tem deadlock

Se existem diversas instâncias por tipo de recurso, possibilidade de deadlock


Métodos para lidar com Deadlocks

Garantir que o sistema nunca entrará em um estado de deadlock

Permitir que o sistema entre em um estado de deadlock e, então, recuperar

Ignorar o problema e fingir que deadlocks nunca ocorrem no sistema

Usado pela maioria dos sistemas operacionais, incluindo UNIX


Prevenção de deadlock

Exclusão mútua - não é necessário para recursos compartilháveis; contudo, deve ser aplicada aos recursos não compartilháveis

Posse e espera – deve garantir que, sempre que um processo solicita um recurso, não possui quaisquer outros recursos

Exigir que o processo solicite e aloque todos os seus recursos antes de iniciar a execução, ou permitir que o processo solicite recursos somente quando o processo não tem nenhum recurso alocado

Desvantagens

Baixa utilização de recursos

Inanição possível

Restringir a forma como os pedidos podem ser feitos, tratando ao menos uma das condições de deadlock:


Prevenção de deadlock (Cont.)

Ausência de preempção – Se um processo que está em posse de alguns recursos solicita outro recurso que não pode ser imediatamente alocado para ele, então todos os recursos possuídos são liberados

Recursos liberados são adicionadas à lista de recursos que o processo está aguardando

O processo será reiniciado somente quando ele conseguir todos os recursos que está requisitando

Espera circular – impor uma ordenação de todos os tipos de recursos e exigir que cada processo solicite recursos na ordem crescente de numeração

Problemas

Como numerar recursos?

Pedidos de recursos são feitos pelo programador, que desconhece a ordem imposta pelo sistema


Impedimento de Deadlock

Modelo mais simples e mais útil

Exige que cada processo declare o número máximo de recursos de cada tipo que pode precisar

O algoritmo para evitar deadlock examina dinamicamente o estado de alocação de recursos para garantir que nunca pode haver uma condição de espera circular

O estado de alocação de recursos é definido pelo número de recursos disponíveis e alocados

Exige que os processos declarem a sua demanda máxima

Requer que o sistema tenha informações adicionais a priori

A ideia é garantir que o processo fique em um estado seguro.


Estado Seguro

Quando um processo solicita um recurso disponível, o sistema deve decidir se a alocação imediata deixa o sistema em um estado seguro

O sistema está em estado seguro se existe uma sequência <P1, P2, …, Pn> de todos os processos do sistema de tal forma que, para cada Pi, os recursos que Pi ainda pode solicitar podem ser atendidos pelos recursos atualmente disponíveis + recursos mantidos por todos Pj, com j <i

Isto é:

Se as necessidades de recursos do Pi não estão imediatamente disponíveis, então Pi pode esperar até que todos os Pj ter terminado

Quando Pj terminar, Pi pode obter os recursos necessários, executar, retornar os recursos alocados e terminar

Quando termina Pi, Pi +1 pode obter seus recursos necessários, e assim por diante


Fatos básicos

Se um sistema está em estado seguro não ocorre deadlocks

Se um sistema está em estado inseguro possibilidade de deadlock

Para evitar deadlocks assegurar que um sistema nunca entrará em um estado inseguro


Estados seguro, inseguro e de deadlock


Algoritmos para evitar deadlocks

Única instância de um tipo de recurso

Use um gráfico de alocação de recursos

Várias instâncias de um tipo de recurso

Use o algoritmo do banqueiro


Esquema Gráfico de Alocação de Recursos

Aresta de reivindicação Pi Rj indica que o processo Pj pode solicitar recursos Rj

Representada por uma linha tracejada

A aresta de reivindicação é convertida para aresta de pedido quando o processo solicita o recurso

A aresta de pedido é convertida para uma aresta de atribuição quando o recurso é alocado ao processo

Quando um recurso é liberado por um processo, a aresta de atribuição é convertida em uma aresta de reivindicação

Os recursos devem ser reivindicados a priori no sistema


Gráfico de Alocação de Recursos


Estado inseguro em Gráfico de Alocação de Recursos


Algoritmo Gráfico de alocação de Recursos

Suponha que o processo Pi requisite o recurso Rj

O pedido pode ser concedido apenas se a conversão da aresta de pedido para uma aresta de atribuição não resultar na formação de um ciclo no gráfico de alocação de recursos


Algoritmo do Banqueiro

Usado quando existem várias instâncias de cada recurso

Cada processo precisa informar a quantidade máxima que pode utilizar de cada recurso

Quando um processo solicita um recurso, talvez precise esperar para poder alocá-lo

Quando um processo recebe todos os seus recursos, deve devolvê-los em uma quantidade finita de tempo


Estruturas de Dados para o algoritmo do banqueiro

Disponível: Vetor de tamanho m. Se disponível [j] = k, existem k instâncias do tipo de recurso Rj disponíveis

Max: matriz n x m. Se Max [i, j] = k, então o processo Pi pode solicitar no máximo k recursos do tipo Rj

Alocação: matriz n x m. Se Alocação [i, j] = k então Pi tem atualmente k instâncias do recurso Rj

Precisa: matriz n x m. Se Precisa [i, j] = k, então Pi pode precisar de mais k instâncias do Rj para completar sua tarefa

Precisa [i, j] = Max [i, j] - Alocação [i, j]

Seja n o número de processos e m o número de tipos de recursos:


Algoritmo de segurança

1. Sejam Trabalho e Fim vetores de comprimento m e n, respectivamente. Inicialize:

Trabalho = Disponível

Fim [i] = falso para i = 0, 1, …, n- 1

2. Encontre um i de tal forma que ambas as condições sejam verdadeiras:

(a) Fim [i] = falso

(b) Precisa[i] Trabalho

Se esse i não existir, ir para passo 4

3. Trabalho = Trabalho + Alocação[i] Fim[i] = verdadeiroVá para passo 2

4. Se Fim [i] == verdadeiro para todo i, então o sistema está em um estado seguro


Algoritmo de pedido de recursos para o Processo Pi

Pedido = vetor de pedido para o processo Pi. Se Pedido[i][j] = k, então o processo Pi quer k instâncias do tipo de recurso Rj

1. Se Pedido[i] Precisa[i], vá para o passo 2. Do contrário, gere uma exceção, pois o processo pediu mais do que o máximo.

2. Se Pedido[i] Disponível, vá para passo 3. Do contrario, Pi precisa esperar, pois os recursos não estão disponíveis

3. Finja alocar os recursos requisitados para Pi modificando os estados da seguinte forma:

Disponível = Disponível – Pedido

Alocação[i] = Alocação[i] + Pedido[i]

Precisa[i] = Precisa[i] – Pedido[i] Execute o algoritmo de segurança

Se seguro aloque os recursos para Pi Se inseguro Pi precisa esperar e o estado anterior de

alocação deve ser restaurado


Exemplo de Algoritmo do Banqueiro

5 processos: P0 até P4

3 tipos de recursos:

A (10 instâncias), B (5 instâncias) e C (7 instâncias)

Estado em T0:

Alocação Max Disponível

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


Exemplo (Cont.)

O conteúdo da matriz Precisa é definido como Max – Alocação

Precisa

A B C

P0 7 4 3

P1 1 2 2

P2 6 0 0

P3 0 1 1

P4 4 3 1

O sistema está em um estado seguro, pois a sequência < P1, P3, P4, P2, P0> satisfaz o critério de segurança


Exemplo: P1 pede (A=1,B=0,C=2)

Verifique que Pedido Disponível (ou seja, (1,0,2) (3,3,2))

Alocação Precisa Disponível

A B C 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 2 6 0 0

P3 2 1 1 0 1 1

P4 0 0 2 4 3 1

A execução do algoritmo de segurança mostra que a sequência < P1, P3, P4, P0, P2> satisfaz o requisito de segurança

O pedido (3,3,0) feito por P4 pode ser concedido?

O pedido (0,2,0) feito por P0 pode ser concedido?


Detecção de Deadlock

Permitir que o sistema entre no estado de deadlock

Algoritmo de detecção

Regime de recuperação


Única instância de cada tipo de recurso

Manter gráfico de espera

Nós são processos

Pi Pj se Pi está esperando por Pj

Periodicamente, invocar um algoritmo que procura por um ciclo no gráfico. Se houver um ciclo, existe um deadlock

Um algoritmo para detectar um ciclo em um gráfico requer uma ordem de n2 operações, onde n é o número de vértices no gráfico


Gráfico de alocação de recursos e gráfico de espera

Gráfico de alocação de recursos Gráfico de espera correspondente


Recuperação de deadlock:encerramento de processos

Opções

Abortar todos os processos em deadlock

Abortar um processo de cada vez, até o ciclo de bloqueio seja eliminado

Em que ordem devemos abortar?

– Prioridade do processo

– Quanto tempo o processo já executou e quanto tempo ainda falta de execução

– Recursos que o processo usou

– Recursos necessários para completar a execução do processo

– Quantos processos precisarão ser terminados

– É um processo interativo ou batch?


Recuperação de deadlock:preempção de recursos

Seleção de uma vítima - minimizar o custo

Rollback - retornar o processo a um estado seguro

Reiniciar o processo nesse estado seguro

Problema

Inanição - o mesmo processo pode sempre ser escolhido como vítima

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