Capítulo 7: Deadlocks

O Problema do Deadlock P0 P1 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 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 O deadlock pode ocorrer se 4 condições ocorrem simultaneamente: 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.

Grafo de alocação de recursos Conjunto de vértices V e conjunto de arestas E. 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

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 Rj Pi 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 Restringir a forma como os pedidos podem ser feitos, tratando ao menos uma das condições 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

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 Requer que o sistema tenha informações adicionais a priori 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 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 Seja n o número de processos e m o número de tipos de recursos: 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]

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] = verdadeiro Vá 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 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

Fim do Capítulo 7