Giáo trình Hệ điều hành V1.0 - Bài: Deadlock - Nguyễn Phú Trường
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
DEADLOCK
I Mục đích
Sau khi học xong chương này, người học nắm được những kiến thức sau:
• Hiểu mô hình hệ thống về deadlock
• Hiểu các đặc điểm của deadlock
• Hiểu các phương pháp quản lý deadlock
• Hiểu cách ngăn chặn deadlock
• Hiểu cách tránh deadlock
• Hiểu cách phát hiện deadlock
• Hiểu cách phục hồi từ deadlock
II Giới thiệu
Trong môi truờng đa chương, nhiều quá trình có thể cạnh tranh một số giới hạn
tài nguyên. Một quá trình yêu cầu tài nguyên, nếu tài nguyên không sẳn dùng tại thời
điểm đó, quá trình đi vào trạng thái chờ. Quá trình chờ có thể không bao giờ chuyển
trạng thái trở lại vì tài nguyên chúng yêu cầu bị giữ bởi những quá trình đang chờ
khác. Trường hợp này được gọi là deadlock (khoá chết).
Trong chương này chúng ta sẽ mô tả các phương pháp mà hệ điều hành có thể
dùng để ngăn chặn hay giải quyết deadlock. Hầu hết các hệ điều hành không cung cấp
phương tiện ngăn chặn deadlock nhưng những đặc điểm này sẽ được thêm vào sau đó.
Vấn đề deadlock chỉ có thể trở thành vấn đề phổ biến, xu hướng hiện hành gồm số
lượng lớn quá trình, chương trình đa luồng, nhiều tài nguyên trong hệ thống và đặc
biệt các tập tin có đời sống dài và những máy phục vụ cơ sở dữ liệu hơn là các hệ
thống bó.
III Mô hình hệ thống
Một hệ thống chứa số tài nguyên hữu hạn được phân bổ giữa nhiều quá trình
cạnh tranh. Các tài nguyên này được phân chia thành nhiều loại, mỗi loại chứa một số
thể hiện xác định. Không gian bộ nhớ, các chu kỳ CPU và các thiết bị nhập/xuất (như
máy in, đĩa từ) là những thí dụ về loại tài nguyên. Nếu hệ thống có hai CPUs, thì loại
tài nguyên CPU có hai thể hiện. Tương tự, loại tài nguyên máy in có thể có năm thể
hiện.
Nếu một quá trình yêu cầu một thể hiện của loại tài nguyên thì việc cấp phát bất
cứ thể hiện nào của loại tài nguyên này sẽ thoả mãn yêu cầu. Nếu nó không có thì các
thể hiện là không xác định và các lớp loại tài nguyên sẽ không được định nghĩa hợp
lý. Thí dụ, một hệ thống có thể có hai máy in. Hai loại máy in này có thể được định
nghĩa trong cùng lớp loại tài nguyên nếu không có quá trình nào quan tâm máy nào in
ra dữ liệu. Tuy nhiên, nếu một máy in ở tầng 9 và máy in khác ở tầng trệt thì người
dùng ở tầng 9 không thể xem hai máy in là tương tự nhau và lớp tài nguyên riêng rẻ
cần được định nghĩa cho mỗi máy in.
Một quá trình phải yêu cầu một tài nguyên trước khi sử dụng nó, và phải giải
phóng sau khi sử dụng nó. Một quá trình có thể yêu cầu nhiều tài nguyên như nó được
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 113
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
yêu cầu để thực hiện tác vụ được gán của nó. Chú ý, số tài nguyên được yêu cầu
không vượt quá số lượng tổng cộng tài nguyên sẳn có trong hệ thống. Nói cách khác,
một quá trình không thể yêu cầu ba máy in nếu hệ thống chỉ có hai.
Dưới chế độ điều hành thông thường, một quá trình có thể sử dụng một tài nguyên
chỉ trong thứ tự sau:
1) Yêu cầu: nếu yêu cầu không thể được gán tức thì (thí dụ, tài nguyên đang
được dùng bởi quá trình khác) thì quá trình đang yêu cầu phải chờ cho tới
khi nó có thể nhận được tài nguyên.
2) Sử dụng: quá trình có thể điều hành tài nguyên (thí dụ, nếu tài nguyên là
máy in, quá trình có thể in máy in)
3) Giải phóng: quá trình giải phóng tài nguyên.
Yêu cầu và giải phóng tài nguyên là các lời gọi hệ thống. Thí dụ như yêu cầu và
giải phóng thiết bị, mở và đóng tập tin, cấp phát và giải phóng bộ nhớ. Yêu cầu và
giải phóng các tài nguyên khác có thể đạt được thông qua thao tác chờ wait và báo
hiệu signal. Do đó, cho mỗi trường hợp sử dụng, hệ điều hành kiểm tra để đảm bảo
rằng quá trình sử dụng yêu cầu và được cấp phát tài nguyên. Một bảng hệ thống ghi
nhận mỗi quá trình giải phóng hay được cấp phát tài nguyên. Nếu một quá trình yêu
cầu tài nguyên mà tài nguyên đó hiện được cấp phát cho một quá trình khác, nó có thể
được thêm vào hàng đợi để chờ tài nguyên này.
Một tập hợp quá trình trong trạng thái deadlock khi mỗi quá trình trong tập
hợp này chờ sự kiện mà có thể được tạo ra chỉ bởi quá trình khác trong tập hợp.
Những sự kiện mà chúng ta quan tâm chủ yếu ở đây là nhận và giải phóng tài nguyên.
Các tài nguyên có thể là tài nguyên vật lý (thí dụ, máy in, đĩa từ, không gian bộ nhớ
và chu kỳ CPU) hay tài nguyên luận lý (thí dụ, tập tin, semaphores, monitors). Tuy
nhiên, các loại khác của sự kiện có thể dẫn đến deadlock.
Để minh hoạ trạng thái deadlock, chúng ta xét hệ thống với ba ổ đĩa từ. Giả sử
mỗi quá trình giữ các một ổ đĩa từ này. Bây giờ, nếu mỗi quá trình yêu cầu một ổ đĩa
từ khác thì ba quá trình sẽ ở trong trạng thái deadlock. Mỗi quá trình đang chờ một sự
kiện “ổ đĩa từ được giải phóng” mà có thể được gây ra chỉ bởi một trong những quá
trình đang chờ. Thí dụ này minh hoạ deadlock liên quan đến cùng loại tài nguyên.
Deadlock cũng liên quan nhiều loại tài nguyên khác nhau. Thí dụ, xét một hệ
thống với một máy in và một ổ đĩa từ. Giả sử, quá trình Pi đang giữ ổ đĩa từ và quá
trình Pj đang giữ máy in. Nếu Pi yêu cầu máy in và Pj yêu cầu ổ đĩa từ thì deadlock
xảy ra.
Một người lập trình đang phát triển những ứng dụng đa luồng phải quan tâm
đặc biệt tới vấn đề này: Các chương trình đa luồng là ứng cử viên cho vấn đề
deadlock vì nhiều luồng có thể cạnh tranh trên tài nguyên được chia sẻ.
IV Đặc điểm deadlock
Trong một deadlock, các quá trình không bao giờ hoàn thành việc thực thi và
các tài nguyên hệ thống bị buộc chặt, ngăn chặn các quá trình khác bắt đầu. Trước khi
chúng ta thảo luận các phương pháp khác nhau giải quyết vấn đề deadlock, chúng ta
sẽ mô tả các đặc điểm mà deadlock mô tả.
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 114
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
IV.1 Những điều kiện cần thiết gây ra deadlock
Trường hợp deadlock có thể phát sinh nếu bốn điều kiện sau xảy ra cùng một
lúc trong hệ thống:
1) Loại trừ hỗ tương: ít nhất một tài nguyên phải được giữ trong chế độ
không chia sẻ; nghĩa là, chỉ một quá trình tại cùng một thời điểm có thể sử
dụng tài nguyên. Nếu một quá trình khác yêu cầu tài nguyên đó, quá trình
yêu cầu phải tạm dừng cho đến khi tài nguyên được giải phóng.
2) Giữ và chờ cấp thêm tài nguyên: quá trình phải đang giữ ít nhất một tài
nguyên và đang chờ để nhận tài nguyên thêm mà hiện đang được giữ bởi
quá trình khác.
3) Không đòi lại tài nguyên từ quá trình đang giữ chúng: Các tài nguyên
không thể bị đòi lại; nghĩa là, tài nguyên có thể được giải phóng chỉ tự ý
bởi quá trình đang giữ nó, sau khi quá trình đó hoàn thành tác vụ.
4) Tồn tại chu trình trong đồ thị cấp phát tài nguyên: một tập hợp các quá
trình {P0, P1,…,Pn} đang chờ mà trong đó P0 đang chờ một tài nguyên
được giữ bởi P1, P1 đang chờ tài nguyên đang giữ bởi P2,…,Pn-1 đang chờ
tài nguyên đang được giữ bởi quá trình P0.
Chúng ta nhấn mạnh rằng tất cả bốn điều kiện phải cùng phát sinh để deadlock
xảy ra. Điều kiện chờ đợi ch trình đưa đến điều kiện giữ-và-chờ vì thế bốn điều kiện
không hoàn toàn độc lập.
IV.2 Đồ thị cấp phát tài nguyên
Deadlock có thể mô tả chính xác hơn bằng cách hiển thị đồ thị có hướng gọi là
đồ thị cấp phát tài nguyên hệ thống. Đồ thị này chứa một tập các đỉnh V và tập hợp
các cạnh E. Một tập các đỉnh V được chia làm hai loại nút P = {P1, P2,…,Pn} là tập
hợp các quá trình hoạt động trong hệ thống, và R = {R1, R2, ..., Rm} là tập hợp chứa
tất cả các loại tài nguyên trong hệ thống.
Một cạnh có hướng từ quá trình Pi tới loại tài nguyên Rj được ký hiệu Pi →Rj;
nó biểu thị rằng quá trình Pi đã yêu cầu loại tài nguyên Rj và hiện đang chờ loại tài
nguyên đó. Một cạnh có hướng từ loại tài nguyên Rj tới quá trình Pi được hiển thị bởi
Rj → Pi; nó hiển thị rằng thể hiện của loại tài nguyên Rj đã được cấp phát tới quá trình
Pi. Một cạnh có hướng Pi → Rj được gọi là cạnh yêu cầu; một cạnh có hướng Rj → Pi
được gọi là cạnh gán.
Bằng hình tượng, chúng ta hiển thị mỗi quá trình Pi là một hình tròn, và mỗi
loại tài nguyên Rj là hình chữ nhật. Vì loại tài nguyên Rj có thể có nhiều hơn một thể
hiện, chúng ta hiển thị mỗi thể hiện là một chấm nằm trong hình vuông. Chú ý rằng
một cạnh yêu cầu trỏ tới chỉ một hình vuông Rj, trái lại một cạnh gán cũng phải gán
tới một trong các dấu chấm trong hình vuông.
Khi quá trình Pi yêu cầu một thể hiện của loại tài nguyên Rj, một cạnh yêu cầu
được chèn vào đồ thị cấp phát tài nguyên. Khi yêu cầu này có thể được đáp ứng, cạnh
yêu cầu lập tức được truyền tới cạnh gán. Khi quá trình không còn cần truy xuất tới
tài nguyên, nó giải phóng tài nguyên, và khi đó dẫn đến cạnh gán bị xoá.
Đồ thị cấp phát tài nguyên được hiển thị trong hình VI-1 dưới đây mô tả trường hợp
sau:
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 115
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
Hình 0-1 Đồ thị cấp phát tài nguyên
• Các tập P, R, và E:
o P = {P1, P2, P3}
o R = {R1, R2, R3, R4}
o E = {P1→R1, P2 →R3, R1 →P2, R2→P2, R3→P3}
• Các thể hiện tài nguyên
o Một thể hiện của tài nguyên loại R1
o Hai thể hiện của tài nguyên loại R2
o Một thể hiện của tài nguyên loại R3
o Một thể hiện của tài nguyên loại R4
• Trạng thái quá trình
o Quá trình P1 đang giữ một thể hiện của loại tài nguyên R2 và đang chờ
một thể hiện của loại tài nguyên R1.
o Quá trình P2 đang giữ một thể hiện của loại tài nguyên R1 và R2 và
đang chờ một thể hiện của loại tài nguyên R3.
o Quá trình P3 đang giữ một thể hiện của R3
Đồ thị cấp phát tài nguyên hiển thị rằng, nếu đồ thị không chứa chu trình, thì
không có quá trình nào trong hệ thống bị deadlock. Nếu đồ thị có chứa chu trình, thì
deadlock có thể tồn tại.
Nếu mỗi loại tài nguyên có chính xác một thể hiện, thì một chu trình ngụ ý rằng
một deadlock xảy ra. Nếu một chu trình bao gồm chỉ một tập hợp các loại tài nguyên,
mỗi loại tài nguyên chỉ có một thể hiện thì deadlock xảy ra. Mỗi quá trình chứa trong
chu trình bị deadlock. Trong trường hợp này, một chu trình trong đồ thị là điều kiện
cần và đủ để tồn tại deadlock.
Nếu mỗi loại tài nguyên có nhiều thể hiện thì chu trình không ngụ ý deadlock
xảy. Trong trường hợp này, một chu trình trong đồ thị là điều kiện cần nhưng chưa đủ
để tồn tại deadlock.
Để hiển thị khái niệm này, chúng ta xem lại đồ thị ở hình VII-1 ở trên. Giả sử
quá trình P3 yêu cầu một thể hiện của loại tài nguyên R2. Vì không có thể hiện tài
nguyên hiện có, một cạnh yêu cầu P3 → R2 được thêm vào đồ thị (hình VI-2). Tại thời
điểm này, hai chu trình nhỏ tồn tại trong hệ thống:
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 116
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
P1 → R1 → P2 → R3 → P3 → R2 → P1
P2 → R3 → P3 → R2 → P2
Hình 0-2 Đồ thị cấp phát tài nguyên với deadlock
Quá trình P1, P2, và P3 bị deadlock. Quá trình P3 đang chờ tài nguyên R3, hiện
được giữ bởi quá trình P2. Hay nói cách khác, quá trình P3 đang chờ quá trình P1 hay
P2 giải phóng tài nguyên R2. Ngoài ra, quá trình P1 đang chờ quá trình P2 giải phóng
tài nguyên R1.
Bây giờ xem xét đồ thị cấp phát tài nguyên trong hình VI-3 dưới đây. Trong thí
dụ này, chúng ta cũng có một chu kỳ
P1 → R1 → P3 → R2 → P1
Hình 0-3 Đồ thị cấp phát tài nguyên có chu trình nhưng không bị deadlock
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 117
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
Tuy nhiên, không có deadlock. Chú ý rằng quá trình P4 có thể giải phóng thể
hiện của loại tài nguyên R2. Tài nguyên đó có thể được cấp phát tới P3 sau đó, chu
trình sẽ không còn.
Tóm lại, nếu đồ thị cấp phát tài nguyên không có chu trình thì hệ thống không
có trạng thái deadlock. Ngoài ra, nếu có chu trình thì có thể có hoặc không trạng thái
deadlock. Nhận xét này là quan trọng khi chúng ta giải quyết vấn đề deadlock.
V Các phương pháp xử lý deadlock
Phần lớn, chúng ta có thể giải quyết vấn đề deadlock theo một trong ba cách:
• Chúng ta có thể sử dụng một giao thức để ngăn chặn hay tránh deadlocks, đảm
bảo rằng hệ thống sẽ không bao giờ đi vào trạng thái deadlock
• Chúng ta có thể cho phép hệ thống đi vào trạng thái deadlock, phát hiện nó và
phục hồi.
• Chúng ta có thể bỏ qua hoàn toàn vấn đề này và giả vờ deadlock không bao
giờ xảy ra trong hệ thống. Giải pháp này được dùng trong nhiều hệ điều hành,
kể cả UNIX.
• Chúng ta sẽ tìm hiểu vắn tắt mỗi phương pháp. Sau đó, chúng ta sẽ trình bày
các giải thuật một cách chi tiết trong các phần sau đây.
Để đảm bảo deadlock không bao giờ xảy ra, hệ thống có thể dùng kế hoạch
ngăn chặn hay tránh deadlock. Ngăn chặn deadlock là một tập hợp các phương pháp
để đảm bảo rằng ít nhất một điều kiện cần (trong phần VI.4.1) không thể xảy ra. Các
phương pháp này ngăn chặn deadlocks bằng cách ràng buộc yêu cầu về tài nguyên
được thực hiện như thế nào. Chúng ta thảo luận phương pháp này trong phần sau.
Ngược lại, tránh deadlock yêu cầu hệ điều hành cung cấp những thông tin bổ
sung tập trung vào loại tài nguyên nào một quá trình sẽ yêu cầu và sử dụng trong thời
gian sống của nó. Với những kiến thức bổ sung này, chúng ta có thể quyết định đối
với mỗi yêu cầu quá trình nên chờ hay không. Để quyết định yêu cầu hiện tại có thể
được thoả mãn hay phải bị trì hoãn, hệ thống phải xem xét tài nguyên hiện có, tài
nguyên hiện cấp phát cho mỗi quá trình, và các yêu cầu và giải phóng tương lai của
mỗi quá trình.
Nếu một hệ thống không dùng giải thuật ngăn chặn hay tránh deadlock thì
trường hợp deadlock có thể xảy ra. Trong môi trường này, hệ thống có thể cung cấp
một giải thuật để xem xét trạng thái của hệ thống để xác định deadlock có xảy ra hay
không và giải thuật phục hồi từ deadlock.
Nếu hệ thống không đảm bảo rằng deadlock sẽ không bao giờ xảy ra và cũng
không cung cấp một cơ chế để phát hiện và phục hồi deadlock thì có thể dẫn đến
trường hợp hệ thống ở trong trạng thái deadlock. Trong trường hợp này, deadlock
không được phát hiện sẽ làm giảm năng lực hệ thống vì tài nguyên đang được giữ bởi
những quá trình mà chúng không thể thực thi, đi vào trạng thái deadlock. Cuối cùng,
hệ thống sẽ dừng các chức năng và cần được khởi động lại bằng thủ công.
Mặc dù phương pháp này dường như không là tiếp cận khả thi đối với vấn đề
deadlock nhưng nó được dùng trong một số hệ điều hành. Trong nhiều hệ thống,
deadlock xảy ra không thường xuyên; do đó phương pháp này là rẻ hơn chi phí cho
phương pháp ngăn chặn deadlock, tránh deadlock, hay phát hiện và phục hồi deadlock
mà chúng phải được sử dụng liên tục. Trong một số trường hợp, hệ thống ở trong
trạng thái cô đặc nhưng không ở trạng thái deadlock. Như thí dụ, xem xét một quá
trình thời thực chạy tại độ ưu tiên cao nhất (hay bất cứ quá trình đang chạy trên bộ
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 118
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
định thời biểu không trưng dụng) và không bao giờ trả về điều khiển đối với hệ điều
hành. Do đó, hệ thống phải có phương pháp phục hồi bằng thủ công cho các điều
kiện không deadlock và có thể đơn giản sử dụng các kỹ thuật đó cho việc phục hồi
deadlock.
VI Ngăn chặn deadlock
Để deadlock xảy ra, một trong bốn điều kiện cần phải xảy ra. Bằng cách đảm
bảo ít nhất một trong bốn điều kiện này không thể xảy ra, chúng ta có thể ngăn chặn
việc xảy ra của deadlock. Chúng ta tìm hiểu tỷ mỹ tiếp cận này bằng cách xem xét
mỗi điều kiện cần riêng rẻ nhau.
VI.1 Loại trừ hỗ tương
Điều kiện loại trừ hỗ tương phải giữ cho tài nguyên không chia sẻ. Thí dụ, một
máy in không thể được chia sẻ cùng lúc bởi nhiều quá trình. Ngược lại, các tài nguyên
có thể chia sẻ không đòi hỏi truy xuất loại trừ hỗ tương và do đó không thể liên quan
đến deadlock. Những tập tin chỉ đọc là một thí dụ tốt cho tài nguyên có thể chia sẻ.
Nếu nhiều quá trình cố gắng mở một tập tin chỉ đọc tại cùng một thời điểm thì chúng
có thể được gán truy xuất cùng lúc tập tin. Một quá trình không bao giờ yêu cầu chờ
tài nguyên có thể chia sẻ. Tuy nhiên, thường chúng ta không thể ngăn chặn deadlock
bằng cách từ chối điều kiện loại trừ hỗ tương: một số tài nguyên về thực chất không
thể chia sẻ.
VI.2 Giữ và chờ cấp thêm tài nguyên
Để đảm bảo điều kiện giữ-và-chờ cấp thêm tài nguyên không bao giờ xảy ra
trong hệ thống, chúng ta phải đảm bảo rằng bất cứ khi nào một quá trình yêu cầu tài
nguyên, nó không giữ bất cứ tài nguyên nào khác. Một giao thức có thể được dùng là
đòi hỏi mỗi quá trình yêu cầu và được cấp phát tất cả tài nguyên trước khi nó bắt đầu
thực thi. Chúng ta có thể cài đặt sự cung cấp này bằng cách yêu cầu các lời gọi hệ
thống yêu cầu tài nguyên cho một quá trình trước tất cả các lời gọi hệ thống khác.
Một giao thức khác cho phép một quá trình yêu cầu tài nguyên chỉ khi quá trình
này không có tài nguyên nào. Một quá trình có thể yêu cầu một số tài nguyên và dùng
chúng. Tuy nhiên, trước khi nó có thể yêu cầu bất kỳ tài nguyên bổ sung nào, nó phải
giải phóng tất cả tài nguyên mà nó hiện đang được cấp phát.
Để hiển thị sự khác nhau giữa hai giao thức, chúng ta xét một quá trình chép dữ
liệu từ băng từ tới tập tin đĩa, sắp xếp tập tin đĩa và sau đó in kết quả ra máy in. Nếu
tất cả tài nguyên phải được yêu cầu cùng một lúc thì khởi đầu quá trình phải yêu cầu
băng từ, tập tin đĩa và máy in. Nó sẽ giữ máy in trong toàn thời gian thực thi của nó
mặc dù nó cần máy in chỉ ở giai đoạn cuối.
Phương pháp thứ hai cho phép quá trình yêu cầu ban đầu chỉ băng từ và tập tin
đĩa. Nó chép dữ liệu từ băng từ tới đĩa, rồi giải phóng cả hai băng từ và đĩa. Sau đó,
quá trình phải yêu cầu lại tập tin đĩa và máy in. Sau đó, chép tập tin đĩa tới máy in, nó
giải phóng hai tài nguyên này và kết thúc.
Hai giao thức này có hai nhược điểm chủ yếu. Thứ nhất, việc sử dụng tài
nguyên có thể chậm vì nhiều tài nguyên có thể được cấp nhưng không được sử dụng
trong thời gian dài. Trong thí dụ được cho, chúng ta có thể giải phóng băng từ và tập
tin đĩa, sau đó yêu cầu lại tập tin đĩa và máy in chỉ nếu chúng ta đảm bảo rằng dữ liệu
của chúng ta sẽ vẫn còn trên tập tin đĩa. Nếu chúng ta không thể đảm bảo rằng dữ liệu
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 119
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
vẫn còn tập tin đĩa thì chúng ta phải yêu cầu tất cả tài nguyên tại thời điểm bắt đầu
cho cả hai giao thức. Thứ hai, đói tài nguyên là có thể. Một quá trình cần nhiều tài
nguyên phổ biến có thể phải đợi vô hạn định vì một tài nguyên mà nó cần luôn được
cấp phát cho quá trình khác.
VI.3 Không đòi lại tài nguyên từ quá trình đang giữ chúng
Điều kiện cần thứ ba là không đòi lại những tài nguyên đã được cấp phát rồi. Để
đảm bảo điều kiện này không xảy ra, chúng ta có thể dùng giao thức sau. Nếu một quá
trình đang giữ một số tài nguyên và yêu cầu tài nguyên khác mà không được cấp phát
tức thì tới nó (nghĩa là, quá trình phải chờ) thì tất cả tài nguyên hiện đang giữ được
đòi lại. Nói cách khác, những tài nguyên này được giải phóng hoàn toàn. Những tài
nguyên bị đòi lại được thêm tới danh sách các tài nguyên mà quá trình đang chờ. Quá
trình sẽ được khởi động lại chỉ khi nó có thể nhận lại tài nguyên cũ của nó cũng như
các tài nguyên mới mà nó đang yêu cầu.
Có một sự chọn lựa khác, nếu một quá trình yêu cầu một số tài nguyên, đầu tiên
chúng ta kiểm tra chúng có sẳn không. Nếu tài nguyên có sẳn, chúng ta cấp phát
chúng. Nếu tài nguyên không có sẳn, chúng ta kiểm tra chúng có được cấp phát tới
một số quá trình khác đang chờ tài nguyên bổ sung. Nếu đúng như thế, chúng ta lấy
lại tài nguyên mong muốn đó từ quá trình đang đợi và cấp chúng cho quá trình đang
yêu cầu. Nếu tài nguyên không sẳn có hay được giữ bởi một quá trình đang đợi, quá
trình đang yêu cầu phải chờ. Trong khi nó đang chờ, một số tài nguyên của nó có thể
được đòi lại chỉ nếu quá trình khác yêu cầu chúng. Một quá trình có thể được khởi
động lại chỉ khi nó được cấp các tài nguyên mới mà nó đang yêu cầu và phục hồi bất
cứ tài nguyên nào đã bị lấy lại trong khi nó đang chờ.
Giao thức này thường được áp dụng tới tài nguyên mà trạng thái của nó có thể
được lưu lại dễ dàng và phục hồi lại sau đó, như các thanh ghi CPU và không gian bộ
nhớ. Nó thường không thể được áp dụng cho các tài nguyên như máy in và băng từ.
VI.4 Tồn tại chu trình trong đồ thị cấp phát tài nguyên
Điều kiện thứ tư và cũng là điều kiện cuối cùng cho deadlock là điều kiện tồn
tại chu trình trong đồ thị cấp phát tài nguyên. Một cách để đảm bảo rằng điều kiện này
không bao giờ xảy ra là áp đặt toàn bộ thứ tự của tất cả loại tài nguyên và đòi hỏi mỗi
quá trình trong thứ tự tăng của số lượng.
Gọi R = {R1, R2, …, Rm} là tập hợp loại tài nguyên. Chúng ta gán mỗi loại tài
nguyên một số nguyên duy nhất, cho phép chúng ta so sánh hai tài nguyên và xác định
tài nguyên này có đứng trước tài nguyên khác hay không trong thứ tự của chúng ta.
Thông thường, chúng ta định nghĩa hàm ánh xạ một-một F: R → N, ở đây N là tập
hợp các số tự nhiên. Thí dụ, nếu tập hợp các loại tài nguyên R gồm các ổ băng từ, ổ
đĩa và máy in thì hàm F có thể được định nghĩa như sau:
F(ổ băng từ) = 1,
F(đĩa từ) = 5,
F(máy in) = 12.
Bây giờ chúng ta xem giao thức sau để ngăn chặn deadlock: mỗi quá trình có
thể yêu cầu tài nguyên chỉ trong thứ tự tăng của số lượng. Nghĩa là, một quá trình ban
đầu có thể yêu cầu bất cứ số lượng thể hiện của một loại tài nguyên Ri. Sau đó, một
quá trình có thể yêu cầu các thể hiện của loại tài nguyên Rj nếu và chỉ nếu F(Rj) >
F(Ri). Nếu một số thể hiện của cùng loại tài nguyên được yêu cầu, thì một yêu cầu
cho tất cả thể hiện phải được cấp phát. Thí dụ, sử dụng hàm được định nghĩa trước đó,
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 120
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
một quá trình muốn dùng ổ băng từ và máy in tại cùng một lúc trước tiên phải yêu cầu
ổ băng từ và sau đó yêu cầu máy in.
Nói một cách khác, chúng ta yêu cầu rằng, bất cứ khi nào một quá trình yêu cầu
một thể hiện của loại tài nguyên Rj, nó giải phóng bất cứ tài nguyên Ri sao cho F(Ri) ≥
F(Rj).
Nếu có hai giao thức được dùng thì điều kiện tồn tại chu trình không thể xảy ra.
Chúng ta có thể giải thích điều này bằng cách cho rằng tồn tại chu trình trong đồ thị
cấp phát tài nguyên tồn tại. Gọi tập hợp các quá trình chứa tồn tại chu trình trong đồ
thị cấp phát tài nguyên là {P0, P1, … , Pn}, ở đây Pi đang chờ một tài nguyên Ri, mà Ri
được giữ bởi quá trình Pi+1. Vì sau đó quá trình Pi+1 đang giữ tài nguyên Ri trong khi
yêu cầu tài nguyên Ri+1, nên chúng ta có F(Ri) < F(Ri+1) cho tất cả i. Nhưng điều kiện
này có nghĩa là F(R0) < F(R1) < …< F(Rn) < F(R0). Bằng qui tắc bắt cầu F(R0) <
F(R0), điều này là không thể. Do đó, không thể có chờ chu trình.
Chú ý rằng hàm F nên được định nghĩa dựa theo thứ tự tự nhiên của việc sử
dụng tài nguyên trong hệ thống. Thí dụ, vì ổ băng từ thường được yêu cầu trước máy
in nên có thể hợp lý để định nghĩa F( ổ băng từ) < F(máy in).
VIITránh deadlock
Các giải thuật ngăn chặn deadlock, được thảo luận ở VII-6, ngăn chặn deadlock
bằng cách hạn chế cách các yêu cầu có thể được thực hiện. Các ngăn chặn đảm bảo
rằng ít nhất một trong những điều kiện cần cho deadlock không thể xảy ra. Do đó,
deadlock không thể xảy ra. Tuy nhiên, các tác dụng phụ có thể ngăn chặn deadlock
bởi phương pháp này là việc sử dụng thiết bị chậm và thông lượng hệ thống bị giảm.
Một phương pháp khác để tránh deadlock là yêu cầu thông tin bổ sung về cách
tài nguyên được yêu cầu. Thí dụ, trong một hệ thống với một ổ băng từ và một máy
in, chúng ta có thể bảo rằng quá trình P sẽ yêu cầu ổ băng từ trước và sau đó máy in
trước khi giải phóng cả hai tài nguyên. Trái lại, quá trình Q sẽ yêu cầu máy in trước
và sau đó ổ băng từ. Với kiến thức về thứ tự hoàn thành của yêu cầu và giải phóng
cho mỗi quá trình, chúng ta có thể quyết định cho mỗi yêu cầu của quá trình sẽ chờ
hay không. Mỗi yêu cầu đòi hỏi hệ thống xem tài nguyên hiện có, tài nguyên hiện
được cấp tới mỗi quá trình, và các yêu cầu và giải phóng tương lai của mỗi quá trình,
để yêu cầu của quá trình hiện tại có thể được thoả mãn hay phải chờ để tránh khả năng
xảy ra deadlock.
Các giải thuật khác nhau có sự khác nhau về lượng và loại thông tin được yêu
cầu. Mô hình đơn giản và hữu ích nhất yêu cầu mỗi quá trình khai báo số lớn nhất tài
nguyên của mỗi loại mà nó cần. Thông tin trước về số lượng tối đa tài nguyên của mỗi
loại được yêu cầu cho mỗi quá trình, có thể xây dựng một giải thuật đảm bảo hệ thống
sẽ không bao giờ đi vào trạng thái deadlock. Đây là giải thuật định nghĩa tiếp cận
tránh deadlock. Giải thuật tránh deadlock tự xem xét trạng thái cấp phát tài nguyên để
đảm bảo điều kiện tồn tại chu trình trong đồ thị cấp phát tài nguyên có thể không bao
giờ xảy ra. Trạng thái cấp phát tài nguyên được định nghĩa bởi số tài nguyên sẳn dùng
và tài nguyên được cấp phát và số yêu cầu tối đa của các quá trình.
VII.1 Trạng thái an toàn
Một trạng thái là an toàn nếu hệ thống có thể cấp phát các tài nguyên tới mỗi
quá trình trong một vài thứ tự và vẫn tránh deadlock. Hay nói cách khác, một hệ thống
ở trong trạng thái an toàn chỉ nếu ở đó tồn tại một thứ tự an toàn. Thứ tự của các quá
trình <P1, P2, …, Pn> là một thứ tự an toàn cho trạng thái cấp phát hiện hành nếu đối
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 121
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
với mỗi thứ tự Pi, các tài nguyên mà Pi yêu cầu vẫn có thể được thoả mãn bởi tài
nguyên hiện có cộng với các tài nguyên được giữ bởi tất cả Pj, với j<i. Trong trường
hợp này, nếu những tài nguyên mà quá trình Pi yêu cầu không sẳn dùng tức thì thì Pi
có thể chờ cho đến khi tất cả Pj hoàn thành. Khi chúng hoàn thành, Pi có thể đạt được
tất cả những tài nguyên nó cần, hoàn thành các tác vụ được gán, trả về những tài
nguyên được cấp phát cho nó và kết thúc. Khi Pi kết thúc, Pi+1 có thể đạt được các tài
nguyên nó cần,... Nếu không có thứ tự như thế tồn tại thì trạng thái hệ thống là không
an toàn.
Một trạng thái an toàn không là trạng thái deadlock. Do đó, trạng thái
deadlock là trạng thái không an toàn. Tuy nhiên, không phải tất cả trạng thái không an
toàn là deadlock (hình VI-4). Một trạng thái không an toàn có thể dẫn đến deadlock.
Với điều kiện trạng thái là an toàn, hệ điều hành có thể tránh trạng thái không an toàn
(và deadlock). Trong một trạng thái không an toàn, hệ điều hành có thể ngăn chặn các
quá trình từ những tài nguyên đang yêu cầu mà deadlock xảy ra: hành vi của các quá
trình này điều khiển các trạng thái không an toàn.
Hình 0-4 Không gian trạng thái an toàn, không an toàn, deadlock
Để minh hoạ, chúng ta xét một hệ thống với 12 ổ băng từ và 3 quá trình: P0,
P1, P2. Quá trình P0 yêu cầu 10 ổ băng từ, quá trình P1 có thể cần 4 và quá trình P2 có
thể cần tới 9 ổ băng từ. Giả sử rằng tại thời điểm t0, quá trình P0 giữ 5 ổ băng từ, quá
trình P1 giữ 2 và quá trình P2 giữ 2 ổ băng từ. (Do đó, có 3 ổ băng từ còn rảnh).
Nhu cầu tối đa
Nhu cầu hiện tại
P0
P1
P2
10
4
9
5
2
2
Tại thời điểm t0, hệ thống ở trạng thái an toàn. Thứ tự <P1,P0, P2> thoả điều kiện
an toàn vì quá trình P1 có thể được cấp phát tức thì tất cả các ổ đĩa từ và sau đó trả lại
chúng (sau đó hệ thống có 5 ổ băng từ sẳn dùng ), sau đó quá trình P0 có thể nhận tất
cả ổ băng từ và trả lại chúng (sau đó hệ thống sẽ có 10 ổ băng từ sẳn dùng), và cuối
cùng quá trình P2 có thể nhận tất cả ổ băng từ của nó và trả lại chúng (sau đó hệ thống
sẽ có tất cả 12 ổ băng từ sẳn dùng).
Một hệ thống có thể đi từ trạng thái an toàn tới một trạng thái không an toàn.
Giả sử rằng tại thời điểm t1, quá trình P2 yêu cầu và được cấp 1 ổ băng từ nữa. Hệ
thống không còn trong trạng thái an toàn. Tại điểm này, chỉ quá trình P1 có thể được
cấp tất cả ổ băng từ của nó. Khi nó trả lại chúng, chỉ quá trình P1 có thể được cấp phát
tất cả ổ băng từ. Khi nó trả lại chúng, hệ thống chỉ còn 4 ổ băng từ sẳn có. Vì quá
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 122
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
trình P0 được cấp phát 5 ổ băng từ, nhưng có tối đa 10, quá trình P0 phải chờ. Tương
tự, quá trình P2 có thể yêu cầu thêm 6 ổ băng từ và phải chờ dẫn đến deadlock.
Lỗi của chúng ta là gán yêu cầu từ quá trình P2 cho 1 ổ băng từ nữa. Nếu chúng
ta làm cho P2 phải chờ cho đến khi các quá trình khác kết thúc và giải phóng tài
nguyên của nó thì chúng ta có thể tránh deadlock.
Với khái niệm trạng thái an toàn được cho, chúng ta có thể định nghĩa các giải
thuật tránh deadlock. Ý tưởng đơn giản là đảm bảo hệ thống sẽ luôn còn trong trạng
thái an toàn. Khởi đầu, hệ thống ở trong trạng thái an toàn. Bất cứ khi nào một quá
trình yêu cầu một tài nguyên hiện có, hệ thống phải quyết định tài nguyên có thể được
cấp phát tức thì hoặc quá trình phải chờ. Yêu cầu được gán chỉ nếu việc cấp phát để
hệ thống trong trạng thái an toàn.
Trong mô hình này, nếu quá trình yêu cầu tài nguyên đang có, nó có thể vẫn
phải chờ. Do đó, việc sử dụng tài nguyên có thể chậm hơn mà không có giải thuật
tránh deadlock.
VII.2 Giải thuật đồ thị cấp phát tài nguyên
Nếu chúng ta có một hệ thống cấp phát tài nguyên với một thể hiện của mỗi
loại, một biến dạng của đồ thị cấp phát tài nguyên được định nghĩa trong phần VI.4.2
có thể được dùng để tránh deadlock.
Ngoài các cạnh yêu cầu và gán, chúng ta giới thiệu một loại cạnh mới được gọi
là cạnh thỉnh cầu (claim edge). Một cạnh thỉnh cầu Pi → Rj hiển thị quá trình Pi có
thể yêu cầu tài nguyên Rj vào một thời điểm trong tương lai. Cạnh này tương tự cạnh
yêu cầu về phương hướng nhưng được hiện diện bởi dấu đứt khoảng. Khi quá trình Pi
yêu cầu tài nguyên Rj, cạnh thỉnh cầu Pi → Rj chuyển tới cạnh yêu cầu. Tương tự, khi
một tài nguyên Rj được giải phóng bởi Pi, cạnh gán Rj → Pi được chuyển trở lại thành
cạnh thỉnh cầu Pi → Rj. Chúng ta chú ý rằng các tài nguyên phải được yêu cầu trước
trong hệ thống. Nghĩa là, trước khi Pi bắt đầu thực thi, tất cả các cạnh thỉnh cầu của nó
phải xuất hiện trong đồ thị cấp phát tài nguyên. Chúng ta có thể giảm nhẹ điều kiện
này bằng cách cho phép một cạnh Pi → Rj để được thêm tới đồ thị chỉ nếu tất cả các
cạnh gắn liền với quá trình Pi là các cạnh thỉnh cầu.
Giả sử rằng Pi yêu cầu tài nguyên Rj. Yêu cầu có thể được gán chỉ nếu chuyển
cạnh yêu cầu Pi → Rj tới cạnh gán Rj→Pi không dẫn đến việc hình thành chu trình
trong đồ thị cấp phát tài nguyên. Chú ý rằng chúng ta kiểm tra tính an toàn bằng cách
dùng giải thuật phát hiện chu trình. Một giải thuật để phát hiện một chu trình trong đồ
thị này yêu cầu một thứ tự của n2 thao tác, ở đây n là số quá trình trong hệ thống.
Hình 0-5 Đồ thị cấp phát tài nguyên để tránh deadlock
Nếu không có chu trình tồn tại, thì việc cấp phát tài nguyên sẽ để lại hệ thống
trong trạng thái an toàn. Nếu chu trình được tìm thấy thì việc cấp phát sẽ đặt hệ thống
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 123
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
trong trạng thái không an toàn. Do đó, quá trình Pi sẽ phải chờ yêu cầu của nó được
thoả.
Để minh hoạ giải thuật này, chúng ta xét đồ thị cấp phát tài nguyên của hình VI-
5. Giả sử rằng P2 yêu cầu R2. Mặc dù R2 hiện rảnh nhưng chúng ta không thể cấp phát
nó tới P2 vì hoạt động này sẽ tạo ra chu trình trong đồ thị (Hình VI-6). Một chu trình
hiển thị rằng hệ thống ở trong trạng thái không an toàn. Nếu P1 yêu cầu R2 và P2 yêu
cầu R1 thì deadlock sẽ xảy ra.
Hình 0-6 Trạng thái không an toàn trong đồ thị cấp phát tài nguyên
VII.3 Giải thuật của Banker
Giải thuật đồ thị cấp phát tài nguyên không thể áp dụng tới hệ thống cấp phát tài
nguyên với nhiều thể hiện của mỗi loại tài nguyên. Giải thuật tránh deadlock mà
chúng ta mô tả tiếp theo có thể áp dụng tới một hệ thống nhưng ít hiệu quả hơn cơ chế
đồ thị cấp phát tài nguyên. Giải thuật này thường được gọi là giải thuật của Banker.
Tên được chọn vì giải thuật này có thể được dùng trong hệ thống ngân hàng để đảm
bảo ngân hàng không bao giờ cấp phát tiền mặt đang có của nó khi nó không thể thoả
mãn các yêu cầu của tất cả khách hàng.
Khi một quá trình mới đưa vào hệ thống, nó phải khai báo số tối đa các thể hiện
của mỗi loại tài nguyên mà nó cần. Số này có thể không vượt quá tổng số tài nguyên
trong hệ thống. Khi một người dùng yêu cầu tập hợp các tài nguyên, hệ thống phải
xác định việc cấp phát của các tài nguyên này sẽ để lại hệ thống ở trạng thái an toàn
hay không. Nếu trạng thái hệ thống sẽ là an toàn, tài nguyên sẽ được cấp; ngược lại
quá trình phải chờ cho tới khi một vài quá trình giải phóng đủ tài nguyên.
Nhiều cấu trúc dữ liệu phải được duy trì để cài đặt giải thuật Banker. Những cấu
trúc dữ liệu này mã hoá trạng thái của hệ thống cấp phát tài nguyên. Gọi n là số quá
trình trong hệ thống và m là số loại tài nguyên trong hệ thống. Chúng ta cần các cấu
trúc dữ liệu sau:
• Available: một vector có chiều dài m hiển thị số lượng tài nguyên sẳn dùng
của mỗi loại. Nếu Available[j]= k, có k thể hiện của loại tài nguyên Rj sẳn
dùng.
• Max: một ma trận n x m định nghĩa số lượng tối đa yêu cầu của mỗi quá
trình. Nếu Max[ i , j ] = k, thì quá trình Pi có thể yêu cầu nhiều nhất k thể
hiện của loại tài nguyên Rj.
• Allocation: một ma trận n x m định nghĩa số lượng tài nguyên của mỗi loại
hiện được cấp tới mỗi quá trình. Nếu Allocation[ i, j ] = k, thì quá trình Pi
hiện được cấp k thể hiện của loại tài nguyên Rj.
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 124
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
• Need: một ma trận n x m hiển thị yêu cầu tài nguyên còn lại của mỗi quá
trình. Nếu Need[ i, j ] = k, thì quá trình Pi có thể cần thêm k thể hiện của loại
tài nguyên Rj để hoàn thành tác vụ của nó. Chú ý rằng, Need[ i, j ] = Max[ i,
j ] – Allocation [ i, j ].
Cấu trúc dữ liệu này biến đổi theo thời gian về kích thước và giá trị
Để đơn giản việc trình bày của giải thuật Banker, chúng ta thiết lập vài ký hiệu.
Gọi X và Y là các vector có chiều dài n. Chúng ta nói rằng X ≤ Y nếu và chỉ nếu X[i]
≤ Y[i] cho tất cả i = 1, 2, …, n. Thí dụ, nếu X = (1, 7, 3, 2) và Y = (0, 3, 2, 1) thì Y ≤
X, Y < X nếu Y ≤ X và Y ≠ X.
Chúng ta có thể xem xét mỗi dòng trong ma trận Allocation và Need như là
những vectors và tham chiếu tới chúng như Allocationi và Needi tương ứng. Vector
Allocationi xác định tài nguyên hiện được cấp phát tới quá trình Pi; vector Needi xác
định các tài nguyên bổ sung mà quá trình Pi có thể vẫn yêu cầu để hoàn thành tác vụ
của nó.
VII.3.1 Giải thuật an toàn
Giải thuật để xác định hệ thống ở trạng thái an toàn hay không có thể được mô tả
như sau:
1) Gọi Work và Finish là các vector có chiều dài m và n tương ứng. Khởi tạo
Work:=Available và Finish[i]:=false cho i = 1, 2, …,n.
2) Tìm i thỏa:
a) Finish[i] = false
b) Need i ≤ Work.
Nếu không có i nào thỏa, di chuyển tới bước 4
3) Work:=Work + Allocation i
Finish[i] := true
Di chuyển về bước 2.
4) Nếu Finish[i] = true cho tất cả i, thì hệ thống đang ở trạng thái an toàn.
Giải thuật này có thể yêu cầu độ phức tạp mxn2 thao tác để quyết định trạng thái
là an toàn hay không.
VII.3.2 Giải thuật yêu cầu tài nguyên
Cho Requesti là vector yêu cầu cho quá trình Pi. Nếu Requesti[j] = k, thì quá
trình Pi muốn k thể hiện của loại tài nguyên Rj. Khi một yêu cầu tài nguyên được thực
hiện bởi quá trình Pi, thì các hoạt động sau được thực hiện:
1) Nếu Requesti ≤ Needi, di chuyển tới bước 2. Ngược lại, phát sinh một điều
kiện lỗi vì quá trình vượt quá yêu cầu tối đa của nó.
2) Nếu Requesti ≤ Available, di chuyển tới bước 3. Ngược lại, Pi phải chờ vì tài
nguyên không sẳn có.
3) Giả sử hệ thống cấp phát các tài nguyên được yêu cầu tới quá trình Pi bằng
cách thay đổi trạng thái sau:
Available := Available – Requesti;
Allocationi := Allocationi + Requesti;
Needi := Needi – Requesti;
Nếu kết quả trạng thái cấp phát tài nguyên là an toàn, thì giao dịch được hoàn thành
và quá trình Pi được cấp phát tài nguyên của nó. Tuy nhiên, nếu trạng thái mới là
không an toàn, thì Pi phải chờ Requesti và trạng thái cấp phát tài nguyên cũ được phục
hồi.
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 125
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
VII.3.3 Thí dụ minh họa
Xét một hệ thống với 5 quá trình từ P0 tới P4, và 3 loại tài nguyên A, B, C.
Loại tài nguyên A có 10 thể hiện, loại tài nguyên B có 5 thể hiện và loại tài nguyên C
có 7 thể hiện. Giả sử rằng tại thời điểm T0 trạng thái hiện tại của hệ thống như sau:
Allocation
Max
A
7
3
9
Available
A
0
2
3
2
0
B
1
0
0
1
0
C
0
0
2
1
2
B
5
2
0
2
3
C
3
2
2
2
3
A
3
B
3
C
2
P0
P1
P2
P3
P4
2
4
Nội dung ma trận Need được định nghĩa là Max-Allocation và là
Need
A
7
1
6
0
4
B
4
2
0
1
3
C
3
2
2
1
1
P0
P1
P2
P3
P4
Chúng ta khẳng định rằng hệ thống hiện ở trong trạng thái an toàn. Thật vậy,
thứ tự <P1, P3, P4, P2, P0> thỏa tiêu chuẩn an toàn. Giả sử bây giờ P1 yêu cầu thêm
một thể hiện loại A và hai thể hiện loại C, vì thế Request1 = (1, 0, 2). Để quyết định
yêu cầu này có thể được cấp tức thì hay không, trước tiên chúng ta phải kiểm tra
Request1 ≤ Available (nghĩa là, (1, 0, 2)) ≤ (3, 3, 2)) là đúng hay không. Sau đó,
chúng ta giả sử yêu cầu này đạt được và chúng ta đi đến trạng thái mới sau:
Allocation
Max
A
7
0
6
Available
A
0
3
3
2
0
B
1
0
0
1
0
C
0
2
2
1
2
B
4
2
0
1
3
C
3
0
0
1
1
A
2
B
3
C
0
P0
P1
P2
P3
P4
0
4
Chúng ta phải xác định trạng thái mới này là an toàn hay không. Để thực hiện
điều này, chúng ta thực thi giải thuật an toàn của chúng ta và tìm thứ tự <P1, P3, P4,
P0, P2> thỏa yêu cầu an toàn. Do đó, chúng ta có thể cấp lập tức yêu cầu của quá trình
P1.
Tuy nhiên, chúng ta cũng thấy rằng, khi hệ thống ở trong trạng thái này, một
yêu cầu (3, 3, 0) bởi P4 không thể được gán vì các tài nguyên là không sẳn dùng. Một
yêu cầu cho (0, 2, 0) bởi P0 không thể được cấp mặc dù tài nguyên là sẳn dùng vì
trạng thái kết quả là không an toàn.
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 126
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
VIIIPhát hiện Deadlock
Nếu một hệ thống không thực hiện giải thuật ngăn chặn deadlock hay tránh
deadlock thì trường hợp deadlock có thể xảy ra. Trong môi trường này, hệ thống phải
cung cấp:
• Giải thuật xem xét trạng thái của hệ thống để quyết định deadlock có xảy
ra hay không.
• Giải thuật phục hồi từ deadlock
Trong thảo luận dưới đây, chúng ta thảo luận chi tiết về hai yêu cầu khi chúng
liên quan đến những hệ thống với chỉ một thể hiện của mỗi loại tài nguyên cũng như
đối với hệ thống có nhiều thể hiện cho mỗi loại tài nguyên. Tuy nhiên, tại thời điểm
này chúng ta chú ý lược đồ phát hiện và phục hồi yêu cầu chi phí bao gồm không chỉ
chi phí tại thời điểm thực thi cho việc duy trì thông tin cần thiết và thực thi giải thuật
phát hiện mà còn các lãng phí có thể phát sinh trong việc phát hiện từ deadlock.
VIII.1
Một thể hiện của mỗi loại tài nguyên
Nếu tất cả tài nguyên chỉ có một thể hiện thì chúng ta có thể định nghĩa giải
thuật phát hiện deadlock dùng một biến dạng của đồ thị cấp phát tài nguyên, được gọi
là đồ thị chờ (wait-for). Chúng ta đạt được đồ thị này từ đồ thị cấp phát tài nguyên
bằng cách gỡ bỏ các nút của loại tài nguyên và xóa các cạnh tương ứng.
Hình 0-7 a) Đồ thị cấp phát tài nguyên. b) Đồ thị chờ tương ứng
Chính xác hơn, một cạnh từ Pi tới Pj trong đồ thị chờ hiển thị rằng quá trình Pi
đang chờ một quá trình Pj để giải phóng tài nguyên mà Pi cần. Cạnh Pi → Pj tồn tại
trong đồ thị chờ nếu và chỉ nếu đồ thị cấp phát tài nguyên tương ứng chứa hai cạnh Pi
→ Rq và Rq → Pj đối với một số tài nguyên Rq. Thí dụ, trong hình VI-7 dưới đây,
chúng ta trình bày đồ thị cấp phát tài nguyên và đồ thị chờ tương ứng.
Như đã đề cập trước đó, deadlock tồn tại trong hệ thống nếu và chỉ nếu đồ thị
chờ chứa chu trình. Để phát hiện deadlock, hệ thống cần duy trì đồ thị chờ và định kỳ
gọi giải thuật để tìm kiếm chu trình trong đồ thị.
Một giải thuật phát hiện chu trình trong đồ thị yêu cầu độ phức tạp n2 thao tác, ở
đây n là số cạnh của đồ thị.
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 127
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
VIII.2
Nhiều thể hiện của một loại tài nguyên
Lược đồ đồ thị chờ không thể áp dụng đối với hệ thống cấp phát tài nguyên
với nhiều thể hiện cho mỗi loại tài nguyên. Giải thuật phát hiện deadlock mà chúng ta
mô tả sau đây có thể áp dụng cho hệ thống này. Giải thuật thực hiện nhiều cấu trúc dữ
liệu thay đổi theo thời gian mà chúng tương tự như được dùng trong giải thuật
Banker.
• Available: một vector có chiều dài m hiển thị số lượng tài nguyên sẳn có
của mỗi loại.
• Allocation: ma trận nxm định nghĩa số lượng tài nguyên của mỗi loại hiện
được cấp phát tới mỗi quá trình.
• Request: ma trận nxm hiển thị yêu cầu hiện tại của mỗi quá trình. Nếu
Request[i,j] = k, thì quá trình Pi đang yêu cầu k thể hiện nữa của loại tài
nguyên Rj.
Quan hệ ≤ giữa hai vectors được định nghĩa trong phần VI.7.3. Để ký hiệu đơn
giản, chúng ta sẽ xem những hàng trong ma trận Allocation và Request như các
vector, và sẽ tham chiếu chúng như Allocationi và Requesti tương ứng. Giải thuật phát
hiện được mô tả ở đây đơn giản khảo sát mọi thứ tự cấp phát có thể đối với các quá
trình còn lại để được hoàn thành. So sánh giải thuật này với giải thuật Banker.
1) Gọi Work và Finish là các vector có chiều dài m và n tương ứng. Khởi tạo
Work:=Available. Cho i = 1, 2, …,n, nếu Allocationi ≠ 0, thì Finish[i]:=
false; ngược lại Finish[i]:= true.
2) Tìm chỉ số i thỏa:
a) Finish[i] = false
b) Request i ≤ Work.
Nếu không có i nào thỏa, di chuyển tới bước 4
3) Work:=Work + Allocation i
Finish[i] := true
Di chuyển về bước 2.
4) Nếu Finish[i] = false cho một vài i, 1 ≤ i ≤ n thì hệ thống đang ở trạng thái
deadlock. Ngoài ra, nếu Finish[i] = false thì quá trình Pi bị deadlock.
Giải thuật này yêu cầu độ phức tạp mxn2 để phát hiện hệ thống có ở trong trạng
thái deadlock hay không.
Câu hỏi đặt ra là tại sao chúng ta trả lại tài nguyên của quá trình Pi (trong bước
3) ngay sau khi chúng ta xác định rằng Requesti ≤ Work (trong bước 2b). Chúng ta
biết rằng Pi hiện tại không liên quan deadlock (vì Requesti ≤ Work). Do đó, chúng ta
lạc quan và khẳng định rằng Pi sẽ không yêu cầu thêm tài nguyên nữa để hoàn thành
công việc của nó; do đó nó sẽ trả về tất cả tài nguyên hiện được cấp phát tới hệ thống.
Nếu giả định của chúng ta không đúng, deadlock có thể xảy ra sao đó. Deadlock sẽ
được phát hiện tại thời điểm kế tiếp mà giải thuật phát hiện deadlock được nạp.
Để minh hoạ giải thuật này, chúng ta xét hệ thống với 5 quá trình P0 đến P4 và 3
loại tài nguyên A, B, C. Loại tài nguyên A có 7 thể hiện, loại tài nguyên B có 2 thể
hiện và loại tài nguyên C có 6 thể hiện. Giả sử rằng tại thời điểm T0, chúng ta có trạng
thái cấp phát tài nguyên sau:
Allocation
Request
Available
A
0
2
3
2
B
1
0
0
1
C
0
0
3
1
A
0
2
0
1
B
C
0
2
0
0
A
0
B
0
C
0
P0
P1
P2
P3
0
0
0
0
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 128
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
P4
0
0
2
0
0
2
Chúng ta khẳng định rằng hệ thống không ở trong trạng thái deadlock. Thật vậy,
nếu chúng ta thực thi giải thuật, chúng ta sẽ tìm ra thứ tự <P0, P2, P3, P1, P4> sẽ dẫn
đến trong Finish[i] = true cho tất cả i.
Bây giờ giả sử rằng quá trình P2 thực hiện yêu cầu thêm thể hiện loại C. Ma trận
yêu cầu được hiệu chỉnh như sau:
Need
A
0
2
0
1
0
B
0
0
0
0
0
C
0
2
1
0
2
P0
P1
P2
P3
P4
Chúng ta khẳng định rằng hệ thống bây giờ bị deadlock. Mặc dù chúng ta có
thể đòi lại tài nguyên được giữ bởi quá trình P0, số lượng tài nguyên sẳn dùng không
đủ để hoàn thành các yêu cầu của các quá trình còn lại. Do đó, deadlock tồn tại và bao
gồm các quá trình P1, P2, P3, P4.
VIII.3
Sử dụng giải thuật phát hiện deadlock
Khi nào thì chúng ta nên nạp giải thuật phát hiện deadlock? Câu trả lời phụ thuộc
vào hai yếu tố:
1) Deadlock có khả năng xảy ra thường xuyên như thế nào?
2) Bao nhiêu quá trình sẽ bị ảnh hưởng bởi deadlock khi nó sẽ ra?
Nếu deadlock xảy ra thường xuyên thì giải thuật phát hiện nên được nạp lên
thường xuyên. Những tài nguyên được cấp phát để các quá trình bị deadlock sẽ rảnh
cho đến khi deadlock có thể bị phá vỡ. Ngoài ra, số lượng quá trình liên quan trong
chu trình deadlock có thể tăng lên.
Deadlock xảy ra chỉ khi một số quá trình thực hiện yêu cầu mà không được cấp tài
nguyên tức thì. Yêu cầu này có thể là yêu cầu cuối hoàn thành một chuỗi các quá trình
đang yêu cầu. Ngoài ra, chúng ta có thể nạp giải thuật phát hiện mọi khi một yêu cầu
cho việc cấp phát không thể được cấp tức thì. Trong trường hợp này, chúng ta không
chỉ định nghĩa tập hợp các quá trình bị deadlock, mà còn xác định quá trình đã gây ra
deadlock. (Trong thực tế, mỗi quá trình trong suốt quá trình bị deadlock là một liên
kết trong chu trình của đồ thị tài nguyên, vì thế tất cả chúng gây ra deadlock). Nếu có
nhiều loại tài nguyên khác nhau, một yêu cầu có thể gây chu trình trong đồ thị tài
nguyên, mỗi chu trình hoàn thành bởi yêu cầu mới nhất và “được gây ra” bởi một quá
trình có thể xác định.
Dĩ nhiên, nạp giải thuật phát hiện deadlock cho mỗi yêu cầu có thể gây ra một
chi phí có thể xem xét trong thời gian tính toán. Một thay đổi ít đắt hơn là nạp giải
thuật tại thời điểm ít thường xuyên hơn- thí dụ, một lần một giờ hay bất cứ khi nào
việc sử dụng CPU rơi xuống thấp hơn 40%. Nếu giải thuật phát hiện deadlock được
nạp trong những thời điểm bất kỳ, thì có nhiều chu trình trong đồ thị tài nguyên.
Chúng ta không thể nói quá trình nào của nhiều quá trình bị deadlock gây ra deadlock.
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 129
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
IX Phục hồi deadlock
Khi giải thuật phát hiện xác định rằng deadlock tồn tại, nhiều thay đổi tồn tại.
Một khả năng là thông báo người điều hành rằng deadlock xảy ra và để người điều
hành giải quyết deadlock bằng thủ công. Một khả năng khác là để hệ thống tự động
phục hồi. Có hai tuỳ chọn cho việc phá vỡ deadlock. Một giải pháp đơn giản là huỷ bỏ
một hay nhiều quá trình để phá vỡ việc tồn tại chu trình trong đồ thị cấp phát tài
nguyên. Tuỳ chọn thứ hai là lấy lại một số tài nguyên từ một hay nhiều quá trình bị
deadlock.
IX.1 Kết thúc quá trình
Để xóa deadlock bằng cách hủy bỏ quá trình, chúng ta dùng một trong hai phương
pháp. Trong cả hai phương pháp, hệ thống lấy lại tài nguyên được cấp phát đối với
quá trình bị kết thúc.
• Huỷ bỏ tất cả quá trình bị deadlock: phương pháp này rõ ràng sẽ phá vỡ chu
trình deadlock, nhưng chi phí cao; các quá trình này có thể đã tính toán trong
thời gian dài, và các kết quả của các tính toán từng phần này phải bị bỏ đi và
có thể phải tính lại sau đó.
• Hủy bỏ một quá trình tại thời điểm cho đến khi chu trình deadlock bị
xóa:phương pháp này chịu chi phí có thể xem xét vì sau khi mỗi quá trình bị
hủy bỏ, một giải thuật phát hiện deadlock phải được nạp lên để xác định có
quá trình nào vẫn đang bị deadlock.
Hủy bỏ quá trình có thể không dễ. Nếu một quá trình đang ở giữa giai đoạn cập
nhật một tập tin, kết thúc nó sẽ để tập tin đó trong trạng thái không phù hợp. Tương
tự, nếu quá trình đang ở giữa giai đoạn in dữ liệu ra máy in, hệ thống phải khởi động
lại trạng thái đúng trước khi in công việc tiếp theo.
Nếu phương pháp kết thúc một phần được dùng thì với một tập hợp các quá
trình deadlock được cho, chúng ta phải xác định quá trình nào (hay các quá trình nào)
nên được kết thúc trong sự cố gắng để phá vỡ deadlock. Việc xác định này là một
quyết định chính sách tương tự như các vấn đề lập thời biểu CPU. Câu hỏi về tính
kinh tế là chúng ta nên hủy bỏ quá trình nào thì sự kết thúc của quá trình đó sẽ chịu
chi phí tối thiểu. Tuy nhiên, thuật ngữ chi phí tối thiểu là không chính xác. Nhiều yếu
tố có thể xác định quá trình nào được chọn bao gồm:
1) Độ ưu tiên của quá trình là gì.
2) Quá trình đã được tính toán bao lâu và bao lâu nữa quá trình sẽ tính toán trước
khi hoàn thành tác vụ được chỉ định của nó.
3) Bao nhiêu và loại tài nguyên gì quá trình đang sử dụng.
4) Bao nhiêu tài nguyên nữa quá trình cần để hoàn thành
5) Bao nhiêu quá trình sẽ cần được kết thúc.
6) Quá trình là giao tiếp hay dạng bó
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 130
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
IX.2 Lấy lại tài nguyên
Để xóa deadlock sử dụng việc trả lại tài nguyên, sau khi chúng ta đòi một số tài
nguyên từ các quá trình và cho các tài nguyên này tới các quá trình khác cho đến khi
chu trình deadlock bị phá vỡ.
Nếu việc đòi lại được yêu cầu để giải quyết deadlock thì ba vấn đề cần được xác
định:
• Chọn nạn nhân: những tài nguyên nào và những quá trình nào bị đòi lại?
Trong khi kết thúc quá trình, chúng ta phải xác định thứ tự đòi lại để tối
thiểu chi phí. Các yếu tố chi phí có thể gồm các tham số như số lượng tài
nguyên một quá trình deadlock đang giữ, và lượng thời gian một quá trình
deadlock dùng trong sự thực thi của nó.
• Trở lại trạng thái trước deadlock: Nếu chúng ta đòi lại tài nguyên từ một
quá trình, điều gì nên được thực hiện với quá trình đó? Rõ ràng, nó không
thể tiếp tục việc thực thi bình thường; nó đang bị mất một số tài nguyên
được yêu cầu. Chúng ta phải phục hồi quá trình tới trạng thái an toàn và
khởi động lại từ trạng thái gần nhất trước đó.
Thông thường, rất khó để xác định trạng thái gì là an toàn vì thế giải pháp đơn
giản nhất là phục hồi toàn bộ: hủy quá trình và sau đó khởi động lại nó. Tuy nhiên,
hữu hiệu hơn để phục hồi quá trình chỉ đủ xa cần thiết để phá vỡ deadlock. Ngoài ra,
phương pháp này yêu cầu hệ thống giữ nhiều thông tin hơn về trạng thái của tất cả các
quá trình đang chạy.
Đói tài nguyên: chúng ta đảm bảo như thế nào việc đói tài nguyên không xảy
ra? Nghĩa là, chúng ta có thể đảm bảo rằng tài nguyên sẽ không luôn bị đòi lại từ cùng
một quá trình.
Trong một hệ thống việc chọn nạn nhân ở đâu dựa trên cơ sở các yếu tố chi phí,
nó có thể xảy ra cùng quá trình luôn được chọn như là nạn nhân. Do đó, quá trình này
không bao giờ hoàn thành tác vụ được chỉ định của nó, một trường hợp đói tài nguyên
cần được giải quyết trong bất kỳ hệ thống thực tế. Rõ ràng, chúng ta phải đảm bảo
một quá trình có thể được chọn như một nạn nhân chỉ một số lần xác định (nhỏ). Giải
pháp chung nhất là bao gồm số lượng phục hồi trong yếu tố chi phí.
X Tóm tắt
Trạng thái deadlock xảy ra khi hai hay nhiều quá trình đang chờ không xác định
một sự kiện mà có thể được gây ra chỉ bởi một trong những quá trình đang chờ. Về
nguyên tắc, có ba phương pháp giải quyết deadlock:
• Sử dụng một số giao thức để ngăn chặn hay tránh deadlock, đảm bảo rằng
hệ thống sẽ không bao giờ đi vào trạng thái deadlock.
• Cho phép hệ thống đi vào trạng thái deadlock, phát hiện và sau đó phục hồi.
• Bỏ qua vấn đề deadlock và giả vờ deadlock chưa bao giờ xảy ra trong hệ
thống. Giải pháp này là một giải pháp được dùng bởi hầu hết các hệ điều
hành bao gồm UNIX.
Trường hợp deadlock có thể xảy ra nếu và chỉ nếu bốn điều kiện cần xảy ra
cùng một lúc trong hệ thống: loại trừ hỗ tương, giữ và chờ cấp thêm tài nguyên,
không đòi lại tài nguyên, và tồn tại chu trình trong đồ thị cấp phát tài nguyên. Để ngăn
chặn deadlock, chúng ta đảm bảo rằng ít nhất một điều kiện cần không bao giờ xảy ra.
Một phương pháp để tránh deadlock mà ít nghiêm ngặt hơn giải thuật ngăn chặn
deadlock là có thông tin trước về mỗi quá trình sẽ đang dùng tài nguyên như thế nào.
Thí dụ, giải thuật Banker cần biết số lượng tối đa của mỗi lớp tài nguyên có thể được
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 131
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0
yêu cầu bởi mỗi quá trình. Sử dụng thông tin này chúng ta có thể định nghĩa giải thuật
tránh deadlock.
Nếu hệ thống không thực hiện một giao thức để đảm bảo rằng deadlock sẽ
không bao giờ xảy ra thì lược đồ phát hiện và phục hồi phải được thực hiện. Giải
thuật phát hiện deadlock phải được nạp lên để xác định deadlock có thể xảy ra hay
không. Nếu deadlock được phát hiện hệ thống phải phục hồi bằng cách kết thúc một
số quá trình bị deadlock hay đòi lại tài nguyên từ một số quá trình bị deadlock.
Trong một hệ thống mà nó chọn các nạn nhân để phụv hồi về trạng thái trước đó
chủ yếu dựa trên cơ sở yếu tố chi phí, việc đói tài nguyên có thể xảy ra. Kết quả là quá
trình được chọn không bao giờ hoàn thành tác vụ được chỉ định của nó.
Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005
Trang 132
20 trang
07/05/2022
6300
Bạn đang xem tài liệu "Giáo trình Hệ điều hành V1.0 - Bài: Deadlock - Nguyễn Phú Trường", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_he_dieu_hanh_v1_0_chuong_5_deadlock_nguyen_phu_tr.pdf
