Chương 5 Deadlock

C5: DEADLOCK Nội dung: Đònh nghóa deadlock Điều kiện để có deadlock Các phương pháp giải quyết • Ngăn ngừa deadlock • Tránh deadlock • Phát hiện deadlock • Phục hồi deadlock Bài tập Ví dụ BÀI TOÁN VỀ 5 TRIẾT GIA ĂN TỐI Năm nhà triết học cùng ngồi ăn tối với món spaghetti nổi tiếng. Mỗi nhà triết học dùng 2 cái nóa để có thể ăn spaghetti. Nhưng trên bàn chỉ có tổng cộng 5 cái nóa để xen kẽ với 5 cái đóa. Nếu 5 nhà triết học đều cầm 5 cái nóa bên trái cùng lúc, thì sẽ không có ai có cái nóa bên phải để có thể bắt đầu thưởng thức spaghetti. ĐỊNH NGHĨA • Mỗi tiến trình trong tập hợp đều chờ đợi một sự kiện mà chỉ có một tiến trình khác trong tập hợp mới có thể phát sinh. • Hay : Mỗi tiến trình trong tập hợp đều chờ được cấp phát tài nguyên hiện đang bò một quá trình khác cũng ở trạng thái blocked chiếm giữ. • Một hệ thống bò deadlock : có tiến trình bò deadlock. 1 VÍ DỤ & BẢN CHẤT DEADLOCK Hai tiến trình bò deadlock: Dạng deadlock: Process1 P(S1); P(S2); Critical Section; V(S1); V(S2); Process2 P(S2); P(S1); Critical Section; V(S2); V(S1); DEADLOCK VÀ TRÌ HOÃN VÔ HẠN ĐỊNH Deadlock • Đợi sự kiện không bao giờ xảy ra • Nguyên nhân ? Trì hoãn vô hạn đònh (Indefinite postponement) • Đợi sự kiện có thể xảy ra nhưng không xác đònh thời điểm • Biểu hiện như deadlock • Nguyên nhân ? Deadlock có khác vòng lặp vô hạn ? ĐIỀU KIỆN XẢY RA DEADLOCK 1. Có sử dụng tài nguyên không thể chia sẻ (mutual exclusion) 2. Sự chiếm giữ và yêu cầu thêm tài nguyên (wait for ) 3. Không thu hồi tài nguyên từ tiến trình đang giữ chúng (no-preemption) 4. Tồn tại một chu trình trong đồ thò cấp phát tài nguyên (circular-wait) ĐỒ THỊ CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN(Resource Allocation Graph) Process: Loại tài nguyên với 4 thực thể: Pi yêu cầu một thực thể của Rj : Pi đang giữ một thực thể của Rj : 2 Ví dụ về RAG RAG và deadlock • Ví dụ một RAG chứa chu trình nhưng không xảy ra deadlock: P4 có thể trả lại instance của R2. RAG không chứa chu trình (cycle) ⇒ không có deadlock RAG chứa một (hay nhiều) chu trình : • Nếu mỗi loại tài nguyên chỉ có một thực thể ⇒ deadlock • Nếu mỗi loại tài nguyên có nhiều thực thể ⇒ có thể xảy ra deadlock ĐỒ THỊ CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN (Resource Allocation Graph) Có thể sử dụng một đồ thò để mô hình hoá việc cấp phát tài nguyên. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ DEADLOK Có ba hướng tiếp cận để xử lý tắc nghẽn • Sử dụng phương thức (protocol) để bảo đảm rằng hệ thống không bao giờ xảy ra tắc nghẽn. • Cho phép xảy ra tắc nghẽn và tìm cách sửa chữa tắc nghẽn. • Hoàn toàn bỏ qua việc xử lý tắc nghẽn, xem như hệ thống không bao giờ xảy ra tắc nghẽn. 3 GIẢI QUYẾT DEADLOCK Ngăn ngừa deadlock (deadlock prevention) • Qui đònh cấp, dùng tài nguyên nghiêm ngặt • Không cho các điều kiện deadlock xảy ra Tránh deadlock (deadlock avoidance) • Vẫn cho các điều kiện deadlock tồn tại • Cấp tài nguyên hợp lý, an toàn Phát hiện deadlock (deadlock detection) Phục hồi deadlock (deadlock recovery) NGĂN NGỪA DEADLOCK Cấm điều kiện tài nguyên không thể chia sẻ (multual-exclusion ) Cấm điều kiện Sự chiếm giữ và yêu cầu thêm tài nguyên (hold & wait) • Tiến trình yêu cầu tất cả tài nguyên một lần • Chỉ được xử lý khi đã đủ tất cả tài nguyên cần thiết Cấm điều kiện không thu hồi tài nguyên (no-preemption) • Nếu yêu cầu tài nguyên không được, tiến trình phải giải phóng tất cả tài nguyên đang giữ và yêu cầu lại. (?) Loại bỏ một chu kỳ (circular-wait) • Sắp xếp tài nguyên theo trật tự và chung cấp cho tiến trình theo đúng trật tự đó. NGĂN NGỪA DEADLOCK (Havender) Ví du TRÁNH DEADLOCK Một số khái niệm cơ sở • Trạng thái an toàn. • Một chuỗi cấp phát an toàn. • Chiến lược cấp phát. • Giải thuật xác đònh trạng thái an toàn. • Giải thuật yêu cầu tài nguyên. • Trạng thái safe và unsafe • Một trạng thái của hệ thống được gọi là an toàn (safe) nếu tồn tại một chuỗi an toàn (safe sequence). 4 Chuỗi an toàn  Một chuỗi quá trình <P1, P2,…, Pn > là một chuỗi an toàn nếu  Với mọi i = 1,…,n, yêu cầu tối đa về tài nguyên của Pi có thể được thỏa bởi • tài nguyên mà hệ thống đang có sẵn sàng (available) • cùng với tài nguyên mà tất cả Pj , j < i, đang giữ.  Một trạng thái của hệ thống được gọi là không an toàn (unsafe) nếu không tồn tại một chuỗi an toàn. Ví dụ: Hệ thống có 12 tape drives và 3 quá trình P0, P1, P2  Tại thời điểm t0 • Còn 3 tape drive sẵn sàng. • Chuỗi <P1, P0, P2> là chuỗi an toàn ⇒ hệ thống là an toàn  Giả sử tại thời điểm t1, P2 yêu cầu và được cấp phát 1 tape drive • còn 2 tape drive sẵn sàng Hệ thống trở nên không an toàn.  Khi một process yêu cầu một tài nguyên đang sẵn sàng, hệ thống sẽ kiểm tra: nếu việc cấp phát này không dẫn đến tình trạng unsafe thì sẽ cấp phát ngay. Trạng thái safe/unsafe và deadlock • Nếu hệ thống đang ở trạng thái safe ⇒ không deadlock. • Nếu hệ thống đang ở trạng thái unsafe ⇒ có thể dẫn đến deadlock. • Tránh deadlock bằng cách bảo đảm hệ thống không đi đến trạng thái unsafe. TRÁNH DEADLOCK Giải thuật banker • Áp dụng cho hệ thống cấp phát tài nguyên trong đó mỗi loại tài nguyên có thể có nhiều instance. • Bắt chước nghiệp vụ ngân hàng (banking) 5 Giải thuật nhà băng (Banker’s Algorithm) • Hệ điều hành = nhà Băng • Tiến trình = khách hàng • Tài nguyên = vốn vay Ràng buộc • Yêu cầu vay cực đại ≤ vốn nhà băng • Khách không trả vốn nếu vay chưa đủ yêu cầu cực đại • Khi vay đủ, khách phải trả đủ vốn sau thời gian hữu hạn Trạng thái nhà băng • An toàn (Safe): thỏa yêu cầu mọi khách, ngân hàng thu vốn đủ • Không an toàn ( Unsafe) : ngược lại  có thể deadlock Hệ thống phải cấp phát tài nguyên sao cho không rơi vào trạng thái Unsafe VÍ DỤ • Trạng thái sau là an toàn. Tại sao ? Đang mượn Cần tối đa Cần thêm P1 1 4 3 P2 4 6 2 P3 5 8 3 Vốn 12 , còn lại 2 • Trạng thái sau là không an toàn. Tại sao ? Đang mượn Cần tối đa Cần thêm P1 8 10 2 P2 2 5 3 P3 1 3 2 Vốân 12 , còn lại 1 Giải thuật kiểm tra trạng thái an toàn – Ví dụ • Có 5 process P 0 ,…, P 4 • Có 3 loại tài nguyên: A (có 10 instance), B (5 instance) và C (7 instance). • Sơ đồ cấp phát trong hệ thống tại thời điểm T 0 6 Chuỗi an toàn <P 1 , P 3 , P 4 , P 2 , P 0 >  Yêu cầu (1, 0, 2) của P1 có thỏa được không?  Kiểm tra điều kiện Request1 ≤ Available: • (1, 0, 2)  (3, 3, 2) là đúng  Giả đònh thỏa yêu cầu, kiểm tra trạng thái mới có phải là safe hay không. Allocation Need Available A B C A B C A B C P 0 0 1 0 7 4 3 2 3 0 P 1 3 0 2 0 2 0 P 2 3 0 2 6 0 0 P 3 2 1 1 0 1 1 P 4 0 0 2 4 3 1  Trạng thái mới là safe (chuỗi an toàn là <P1, P3, P4, P0, P2>), vậy có thể cấp phát tài nguyên cho P1.  P4 yêu cầu (3, 3, 0) hoặc P0 yêu cầu (0, 2, 0) thì có thỏa mãn được hay không? PHÁT HIỆN DEADLOCK • Ghi nhận, theo dõi yêu cầu, sự cấp phát tài nguyên cho các quá trình. • Dùng đồ thò cấp phát tài nguyên. 7 • Giản lược đồ thò cấp phát 1. Tài nguyên rảnh  cấp cho quá trình yêu cầu 2. Quá trình đủ tài nguyên  xoá mọi cạnh vào, xoá quá qtrình 3. Lặp lại 1 với các quá trình khác đến khi tối giản • Khi giải thuật dừng Đồ thò cấp phát không còn cạnh: không có deadlock Đồ thò cấp phát có chu trình (cycle): deadlock • Nhận xét Phí tổn lớn VÍ DỤ 1 : GIẢN ƯỚC BÀI TẬP : GIẢN ƯỚC PHỤC HỒÀI DEADLOCK • Đình chỉ hoạt động của các quá trình liên quan. • Thu hồi tài nguyên. • Khó có thể giải quyết trọn vẹn 8 BÀI TẬP Tìm trạng thái của hệ thống sau QUÁ TRÌNH Nhu cầu tối đa (CẦN CÓ ĐỦ SỐ TÀI NGUYÊN ĐỂ XỬ Lý) Đã mượn (CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN) Hiện còn lại (TÀI NGUYÊN CÒN TỰ DO) A B C A C P1 3 2 2 4 2 P2 6 1 3 P3 3 1 4 P4 4 2 2 QUÁ TRÌNH Need Đã mượn (CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN) Hiện còn lại (TÀI NGUYÊN CÒN TỰ DO) A B C A B C A B C P1 2 2 2 1 0 0 4 1 2 P2 4 0 2 2 1 1 P3 1 0 3 2 1 1 P4 4 2 0 0 0 2 QUÁ TRÌNH Need Đã mượn (CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN) Hiện còn lại (TÀI NGUYÊN CÒN TỰ DO) A B C A B C A B C P1 0 0 0 0 0 0 9 3 4 P2 0 0 0 0 0 0 P3 0 0 0 0 0 0 P4 4 2 0 0 0 2 9 QUÁ TRÌNH Need Đã mượn (CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN) Hiện còn lại (TÀI NGUYÊN CÒN TỰ DO) A B C A B C A B C P1 2 2 2 1 0 0 6 2 3 P2 0 0 0 0 0 0 P3 1 0 3 2 1 1 P4 4 2 0 0 0 2 QUÁ TRÌNH Need Đã mượn (CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN) Hiện còn lại (TÀI NGUYÊN CÒN TỰ DO) A B C A B C A B C P1 0 2 0 0 0 0 7 2 3 P2 0 0 0 0 0 0 P3 1 0 3 2 1 1 P4 4 2 0 0 0 2 QUÁ TRÌNH Need Đã mượn (CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN) Hiện còn lại (TÀI NGUYÊN CÒN TỰ DO) A B C A B C A B C P1 0 0 0 0 0 0 9 3 6 P2 0 0 0 0 0 0 P3 0 0 0 0 0 0 P4 0 0 0 0 0 0 Chuỗi cấp phát an toàn : <P2,P1,P3,P4> Tìm trạng thái của hệ thống sau Nếu quá trình P2 thay bằng yêu cầu (0,4,2) thì hệ thống cấp phát tức thời cho nó không ? Chuỗi cấp phát an toàn <P1,P3,P2,P4> QUÁ TRÌNH Need Đã mượn (CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN) Hiện còn lại (TÀI NGUYÊN CÒN TỰ DO) A B C A B C A B C P1 0 0 0 0 0 0 2 11 7 10