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RW-SystemarchitekurKap. 11 1 Kapitel 11 Deadlocks.

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1 RW-SystemarchitekurKap Kapitel 11 Deadlocks

2 RW-SystemarchitekurKap Überblick Betriebssysteme 6 Einführung 7 Prozesse, Fäden (threads), Scheduling 8. Speicherverwaltung 9 Dateisysteme 10 Nebenläufigkeit und wechselseitiger Ausschluss 11 Deadlocks 11.1 Einführung 11.2 Der Bankiers-Algorithmus 11.3 Deadlock-Vermeidung 12 historisches 13 aktuelle Forschung

3 RW-SystemarchitekurKap Einführung: Deadlocks – die Beteiligten und die Ursachen Prozesse brauchen Ressourcen, manche Ressourcen exklusiv, ein möglicher Ablauf: –Prozess besitzt schon Ressourcen, –möchte weitere akquirieren –evtl. im Besitz von p k –benötigt evtl. auch r J –Resultat: pipi rjrj rjrj pipi pipi rmrm rmrm pkpk pkpk rjrj pipi rmrm rjrj pkpk

4 RW-SystemarchitekurKap Ressourcen und Anforderungsstrategien Ressourcen sind exklusiv oder nicht exklusiv – exklusiv erfordert wechselseitigen Ausschluss beim Zugriff, sind präemptiv, d.h. können nach Zuteilung entzogen werden, oder nicht präemptiv, werden 1.angefordert – sind sie belegt, wird Prozess blockiert, 2.benutzt, 3.freigegeben können auf einmal oder sequentiell nacheinander angefordert werden; geschlossene Anforderung verringert ausgenützten Pseudoparallelismus, führt im Extremfall zu sequentieller Ausführung.

5 RW-SystemarchitekurKap Deadlocks Definition: Eine Menge von Prozessen befindet sich in einem Deadlock-Zustand, wenn jeder Prozess aus der Menge auf ein Ereignis wartet, das nur ein anderer Prozess aus der Menge auslösen kann. Hier: Ereignis Freigabe einer Ressource – deshalb Ressourcen- Deadlock

6 RW-SystemarchitekurKap Ein möglicher Deadlock Sequentielle Anforderung exklusiver Ressourcen ohne Möglichkeit der Freigabe bereits zugeteilter. Hier kann es, muss aber nicht zu einer Deadlock-Situation kommen! Hängt ab von der relativen Geschwindigkeit der beiden Prozesse, das nennt man einen kritischen Wettlauf (race condition). /* Prozess 0 */ … Fordere Ressource 1 an … Fordere Ressource 2 an … Benutze beide Ressourcen … /* Prozess 1 */ … Fordere Ressource 2 an … Fordere Ressource 1 an … Benutze beide Ressourcen …

7 RW-SystemarchitekurKap Voraussetzungen für Deadlocks Folgende Voraussetzungen müssen erfüllt sein, damit ein Deadlock auftreten kann: 1.Wechselseitiger Ausschluss: Jede Ressource ist entweder verfügbar oder genau einem Prozess zugeordnet. 2.Hold-and-wait-Bedingung: Prozesse, die schon Ressourcen reserviert haben, können noch weitere Ressourcen anfordern. 3.Ununterbrechbarkeit: Ressourcen, die einem Prozess bewilligt wurden, können nicht wieder entzogen werden. 4.Zyklische Wartebedingung: Es muss eine zyklische Kette von Prozessen geben, von denen jeder auf eine Ressource wartet, die dem nächsten Prozess in der Kette gehört. Die ersten drei betreffen die BS-Strategie, die letzte beschreibt eine entstandene Situation. Leider sind in realen Betriebssystemen diese Bedingungen üblicherweise erfüllt.

8 RW-SystemarchitekurKap Modellierung von Ressourcenbelegungen und Ressourcenanforderungen Ressourcenbelegungen und Ressourcenanforderungen können durch einen so genannten Ressourcen-Zuteilungs-Graphen dargestellt werden. Es gibt 2 Arten von Knoten: –Kreise repräsentieren Prozesse p i : –Quadrate repräsentieren Ressourcen r j : Eine Kante von einer Ressource r j zu einem Prozess p i bedeutet: Ressource r j wird von Prozess p i belegt. Eine Kante von einem Prozess p i zu einer Ressource r j bedeutet: Prozess p i hat Ressource r j angefordert, aber noch nicht erhalten. pipi rjrj pipi rjrj pipi rjrj

9 RW-SystemarchitekurKap Modellierung von Ressourcenbelegungen und Ressourcenanforderungen Ein Zyklus in dem Graphen existiert genau dann, wenn man von einem Knoten ausgehend über eine Folge von Kanten wieder zu dem Knoten zurückkommt: Zyklen im Belegungs-Anforderungsgraphen repräsentieren Deadlocks! p1p1 r2r2 r1r1 p2p2

10 RW-SystemarchitekurKap Beispiel – Abarbeitungsfolge 1 Prozesse p 1, p 2, p 3, Ressourcen R, S, T –Prozess p 1 : Anforderung R, Anforderung S, Freigabe R, Freigabe S –Prozess p 2 : Anforderung S, Anforderung T, Freigabe S, Freigabe T –Prozess p 3 : Anforderung T, Anforderung R, Freigabe T, Freigabe R p1p1 p2p2 p3p3 RST 1. p 1 belegt R. p1p1 p2p2 p3p3 RST 2. p 2 belegt S. p1p1 p2p2 p3p3 RST 3. p 3 belegt T. p1p1 p2p2 p3p3 RST 4. p 1 verlangt S. p1p1 p2p2 p3p3 RST 5. p 2 verlangt T. p1p1 p2p2 p3p3 RST 6. p 3 verlangt R. Deadlock!

11 RW-SystemarchitekurKap Beispiel – Abarbeitungsfolge 2 Prozesse p 1, p 2, p 3, Ressourcen R, S, T –Prozess p 1 : Anforderung R, Anforderung S, Freigabe R, Freigabe S –Prozess p 2 : Anforderung S, Anforderung T, Freigabe S, Freigabe T –Prozess p 3 : Anforderung T, Anforderung R, Freigabe T, Freigabe R p1p1 p2p2 p3p3 RST 1. p 1 belegt R. p1p1 p2p2 p3p3 RST 2. p 3 belegt T. p1p1 p2p2 p3p3 RST 3. p 1 belegt S. p1p1 p2p2 p3p3 RST 4. p 3 verlangt R. p1p1 p2p2 p3p3 RST 5. p 1 gibt R frei. p1p1 p2p2 p3p3 RST 6. p 1 gibt S frei. Kein Deadlock!

12 RW-SystemarchitekurKap Deadlock-Vermeidung (1) Fortschritt Prozess p 2 Fortschritt Prozess p 1 Drucker Plotter Drucker Plotter I1I1 I2I2 I3I3 I4I4 I5I5 I6I6 I7I7 I8I8 Beide Prozesse beendet Start Beide benötigen Drucker Beide benötigen Plotter t Deadlock unvermeidbar! Was ist ein sicherer Zustand? 1.es gibt eine deadlock-freie Fortsetzung 2.alle Fortsetzungen sind deadlock-frei

13 RW-SystemarchitekurKap Deadlock-Vermeidung (2) Fortschritt Prozess p 2 Fortschritt Prozess p 1 Drucker Plotter Drucker Plotter I1I1 I2I2 I3I3 I4I4 I5I5 I6I6 I7I7 I8I8 Beide Prozesse beendet Start Beide benötigen Drucker Beide benötigen Plotter t

14 RW-SystemarchitekurKap Verhindern von Deadlocks: Bankieralgorithmus Bankier-Algorithmus von Dijkstra (1965) verhindert Deadlocks im System. –Scheduling (Prozessorzuteilung an Prozesse) in einer Weise, dass keine Deadlocks auftreten können. Voraussetzungen: –Es ist im voraus bekannt, welche und wie viele Ressourcen die einzelnen Prozesse (maximal) anfordern werden. –Diese maximale Anforderung übersteigt für keinen Prozess die zur Verfügung stehenden Ressourcen. Nach der 2. Voraussetzung gibt es auf jeden Fall einen Ablauf, bei dem es kein Problem mit fehlenden Ressourcen / Deadlocks gibt: –Führe einfach alle Prozesse nacheinander aus. –Nach Ablauf eines Prozesses gibt dieser sicherlich alle seine Ressourcen frei. Grundidee des Bankieralgorithmus: –Versuche möglichst viel Pseudo-Parallelismus zu erreichen (keine streng sequentielle Abarbeitung der Prozesse) –Riskiere dabei aber an keinem Punkt eine potentielle Deadlock-Situation!

15 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus (1) Vorgehen: –Überführe das System immer nur in sichere Zuteilungs-Zustände! –Ein Zuteilungs-Zustand ist sicher, wenn es auf jeden Fall eine deadlockfreie Restausführung aller Prozesse gibt, d.h. eine Anordnung der Prozesse, so dass die Ressourcenanforderungen von P i mittels der eigenen, der verfügbaren und der von den P j für j

16 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus (2) Der Bankieralgorithmus –prüft also bei jeder Ressourcenanforderung eines Prozesses p i, ob das System bei Erfüllung der Anforderung in einen unsicheren Zustand kommt. –Falls ja: Erfülle Anforderung nicht, stelle Prozess p i zurück und mache mit einem anderen Prozess weiter. Dadurch garantiert der Bankieralgorithmus in jedem Fall eine deadlockfreie Ausführung.

17 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Eine einzige Ressourcenklasse (1) Noch zu zeigen: Wie wird auf sicheren Zustand geprüft? Zunächst: Nehme an, dass es eine einzige Ressourcenklasse gibt, die aber mehrere Ressourcen enthalten kann –Bsp.: Es gibt 10 verschiedene Drucker. Wenn alle 10 Drucker durch Prozesse belegt sind, dann wird kein weiterer vergeben. Ein Prozess kann mehrere Drucker anfordern, aber nur bis zu einer bestimmten Maximalzahl · 10

18 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Eine einzige Ressourcenklasse (2) Gegeben: n Prozesse p 1, …, p n, die Ressourcen aus einer einzigen Klasse anfordern Anzahl zur Verfügung stehender Ressourcen: V 2 N Für jeden Prozess p i gibt es –eine maximale Anzahl M i von Ressourcen, die der Prozess anfordern wird, –eine Anzahl von Ressourcen E i, die der Prozess zu einem bestimmten Zeitpunkt schon erhalten hat, –eine Anzahl von Ressourcen, die der Prozess nach diesem Zeitpunkt noch maximal anfordern wird: A i = M i - E i Die Anzahl der freien Ressourcen zu diesem Zeitpunkt ergibt sich zu F = V - i=1 n E i Es gilt weiterhin: –M i · V 8 1 · i · n –E i · M i 8 1 · i · n

19 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Eine einzige Ressourcenklasse (3) Beispiel: Es gibt V = 10 Instanzen einer Ressource. 3 Prozesse p 1, p 2, p 3 Maximale Anforderungen: Zustand zum Zeitpunkt t: Frage: Ist dies ein sicherer Zustand? M i p 1 9 p 2 4 p 3 7 E i A i p p p F = 10 – 7 = 3

20 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Eine einzige Ressourcenklasse (4) Nachweis, dass es sich um einen sicheren Zustand handelt: F = 10 – 7 = 3 E i A i M i p p p Führe zunächst ausschließlich Prozess p 2 aus F = 10 – 9 = 1 E i A i M i p p p F = 10 – 5 = 5 E i A i M i p p p Freigabe durch Prozess p 2 F = 10 – 10 = 0 E i A i M i p p p F = 10 – 3 = 7 E i A i M i p p p Jetzt kann Prozess 1 zu Ende gebracht werden! Freigabe durch Prozess p 3 Führe ausschließlich Prozess p 3 aus

21 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Eine einzige Ressourcenklasse (5) Weise nun zunächst Prozess p 1 eine weitere Ressource zu: Ist dieser Zustand immer noch sicher? Zur Erinnerung: –Ein Zustand ist sicher, wenn es auf jeden Fall eine deadlockfreie Restausführung aller Prozesse gibt, auch wenn die Prozesse ihre restlichen Anforderungen auf einen Schlag stellen und Freigaben erst bei Prozessbeendigung durchführen. F = 10 – 7 = 3 E i A i M i p p p F = 10 – 8 = 2 E i A i M i p p p

22 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Eine einzige Ressourcenklasse (6) Antwort: Der Zustand ist nicht sicher. Nimmt man den worst case an, dass alle Prozesse ihre Ressourcen künftig auf einen Schlag anfordern, so kann man Prozesse p 1 und p 3 nicht ausführen. ) Führe Prozess p 2 aus. F = 10 – 8 = 2 E i A i M i p p p

23 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Eine einzige Ressourcenklasse (7) Nachweis, dass es sich um einen unsicheren Zustand handelt: Mit den jetzt zur Verfügung stehenden 4 freien Ressourcen lassen sich weder Prozess p 1 noch Prozess p 3 ausführen, wenn sie ihre Ressourcenanforderungen sofort stellen und vor Prozessbeendigung nichts freigeben. ) Der Zustand ist unsicher. F = 10 – 8 = 2 E i A i M i p p p Führe Prozess p 2 bis zum Ende aus F = 10 – 10 = 0 E i A i M i p p p F = 10 – 6 = 4 E i A i M i p p p Freigabe durch Prozess p 2

24 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Eine einzige Ressourcenklasse (8) Überprüfung auf sicheren Zustand: –Teste, ob es einen Prozess gibt, dessen Anforderungen alle mit den verfügbaren Ressourcen erfüllt werden können. –Nimm an, dass dieser Prozess ausgeführt wird und alle seine Ressourcen danach freigegeben werden. –Teste, ob es nun einen anderen Prozess gibt, dessen Ressourcenanforderung erfüllt wird und verfahre mit diesem Prozess gleichermaßen. –Der Zustand ist sicher, wenn auf diese Weise alle Prozesse virtuell zu Ende gebracht werden können. –Sonst ist der Zustand unsicher.

25 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Eine einzige Ressourcenklasse (9) Bemerkung: –Im Allgemeinen kann es mehrere Prozesse geben, die virtuell ausgeführt werden können. –Das Endergebnis ist aber immer das Gleiche! –Grund: Nach virtueller Prozessausführung und Freigabe aller Ressourcen eines Prozesses p i können höchstens mehr Ressourcen zur Verfügung stehen. ) Alle Prozesse p j, die vorher ausführbar waren, sind nach Ausführung von p i auf jeden Fall immer noch ausführbar. Würde sich nach einer Ressourcenanforderung ein unsicherer Zustand ergeben, dann wird die Anforderung nicht erfüllt und der Prozess wird blockiert Ansonsten wird die Ressourcenanforderung erfüllt. In der Praxis führt der Bankier-Algorithmus daher die Prozesse im Allgemeinen nicht sequentiell aus, sondern quasi-parallel! Die Tests auf Sicherheit von Zuständen beschränken die Quasi-Parallelität allerdings in gewisser Weise – mit dem Vorteil, dass Deadlocks garantiert verhindert werden.

26 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (1) Mehrere Ressourcenklassen, z.B. Drucker, Plotter, … Gegeben: –n Prozesse p 1, …, p n, die Ressourcen aus Klassen K 1, …, K m anfordern –Anzahl zur Verfügung stehender Ressourcen aus Klasse K k : V k 2 N (1 · k · m) ) Vektor verfügbarer Ressourcen (V 1, …, V m ) –Für jeden Prozess p i und jede Ressourcenklasse K k gibt es eine maximale Anzahl M ik von Ressourcen der Klasse K k, die der Prozess p i anfordern wird ) Maximalanforderungsmatrix M 11 M 12 M 13 … M 1m M 21 M 22 M 23 … M 2m M n1 M n2 M n3 … M nm Zeile i gibt Maximalanforderungen von Prozess i an. …………

27 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (2) … eine Anzahl E ik von Ressourcen der Klasse K k, die der Prozess p i zu einem bestimmten Zeitpunkt schon erhalten hat ) Belegungsmatrix eine Anzahl von Ressourcen der Klasse K k, die der Prozess p i nach diesem Zeitpunkt noch maximal anfordern wird: A ik = M ik - E ik ) Restanforderungsmatrix E 11 E 12 E 13 … E 1m E 21 E 22 E 23 … E 2m E n1 E n2 E n3 … E nm Zeile i gibt an, welche Ressourcen Prozess i schon erhalten hat. ………… A 11 A 12 A 13 … A 1m A 21 A 22 A 23 … A 2m A n1 A n2 A n3 … A nm Zeile i gibt an, welche Ressourcen Prozess i maximal noch anfordern wird. …………

28 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (3) –Die Anzahl der freien Ressourcen der Klasse K k zu diesem Zeitpunkt ergibt sich zu F k = V k - i=1 n E ik ) Ressourcenrestvektor (F 1, …, F m ) –Es gilt weiterhin: E ik · M ik · V k 8 1 · i · n, 1 · k · m –Bankier-Algorithmus für mehrere Ressourcenklassen funktioniert analog zum Bankier-Algorithmus für eine Ressourcenklasse. Einziger Unterschied: Vergleich natürlicher Zahlen ersetzt durch Vergleich von Vektoren natürlicher Zahlen Für zwei Vektoren (v 1, …, v m ), (w 1, …, w m ) 2 N m gilt (v 1, …, v m ) · (w 1, …, w m ) gdw. v i · w i 8 1 · i · m

29 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (4) Überprüfung auf sicheren Zustand: Teste, ob es einen Prozess p i gibt, dessen Anforderungen alle mit den verfügbaren Ressourcen erfüllt werden können, d.h. teste, ob es eine Zeile i in Anforderungsmatrix gibt, die kleiner ist als der Ressourcenrestvektor: (A i1, …, A im ) · (F 1,…, F m ) (das ist nötig, da wir den worst case annehmen, dass ein Prozess alle restlichen Ressourcen auf einen Schlag anfordert und Ressourcen erst am Schluss freigibt) Markiere den Prozess p i Nimm an, dass dieser Prozess ausgeführt wird und alle seine Ressourcen danach freigibt, d.h. addiere (E i1, …, E im ) zu (F 1,…, F m ). Teste, ob es nun einen anderen Prozess p j gibt, dessen Ressourcenanforderung erfüllt wird (A j1, …, A jm ) · (F 1,…, F m ) und verfahre mit diesem Prozess genauso. Der Zustand ist sicher, wenn auf diese Weise alle Prozesse markiert worden sind, d.h. virtuell zu Ende gebracht werden konnten. Sonst ist der Zustand unsicher und die nicht markierten Prozesse sind an dem potentiellen Deadlock beteiligt.

30 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (5) Beispiel: –Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) –Maximalanforderungsmatrix M: –Aktuelle Belegungsmatrix E: –Aktuelle Restanforderungsmatrix A: –Ressourcenrestvektor F = ( ) Bandlaufwerke Scanner CD-ROM Plotter Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess 3

31 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (6) Frage: Befinden wir uns in einem sicheren Zustand? ) Bankier-Algorithmus

32 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (7) Beispiel: –Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) –Maximalanforderungsmatrix M: –Aktuelle Belegungsmatrix E: –Aktuelle Restanforderungsmatrix A: –Ressourcenrestvektor F = ( ) Bandlaufwerke Scanner CD-ROM Plotter Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess 3 Nur 3. Zeile A 3 = ( ) der Restanforderungsmatrix ist kleiner gleich Ressourcenrestvektor F = ( ).

33 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (7) Beispiel: –Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) –Maximalanforderungsmatrix M: –Aktuelle Belegungsmatrix E: –Aktuelle Restanforderungsmatrix A: –Ressourcenrestvektor F = ( ) Bandlaufwerke Scanner CD-ROM Plotter Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess 3 Ausführung von Prozess 3

34 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (7) Beispiel: –Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) –Maximalanforderungsmatrix M: –Aktuelle Belegungsmatrix E: –Aktuelle Restanforderungsmatrix A: –Ressourcenrestvektor F = ( ) Bandlaufwerke Scanner CD-ROM Plotter Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess 3 Ressourcenfreigabe

35 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (7) Beispiel: –Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) –Maximalanforderungsmatrix M: –Aktuelle Belegungsmatrix E: –Aktuelle Restanforderungsmatrix A: –Ressourcenrestvektor F = ( ) Bandlaufwerke Scanner CD-ROM Plotter Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess 3 Nur 2. Zeile A 2 = ( ) der Restanforderungsmatrix kleiner gleich Ressourcenrestvektor F = ( ).

36 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (7) Beispiel: –Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) –Maximalanforderungsmatrix M: –Aktuelle Belegungsmatrix E: –Aktuelle Restanforderungsmatrix A: –Ressourcenrestvektor F = ( ) Bandlaufwerke Scanner CD-ROM Plotter Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess 3 Ausführung von Prozess 2

37 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (7) Beispiel: –Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) –Maximalanforderungsmatrix M: –Aktuelle Belegungsmatrix E: –Aktuelle Restanforderungsmatrix A: –Ressourcenrestvektor F = ( ) Bandlaufwerke Scanner CD-ROM Plotter Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess 3 Ressourcenfreigabe

38 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (7) Beispiel: –Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) –Maximalanforderungsmatrix M: –Aktuelle Belegungsmatrix E: –Aktuelle Restanforderungsmatrix A: –Ressourcenrestvektor F = ( ) Bandlaufwerke Scanner CD-ROM Plotter Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess 3 Ausführung von Prozess 1

39 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (7) Beispiel: –Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) –Maximalanforderungsmatrix M: –Aktuelle Belegungsmatrix E: –Aktuelle Restanforderungsmatrix A: –Ressourcenrestvektor F = ( ) Bandlaufwerke Scanner CD-ROM Plotter Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess 3 Ressourcenfreigabe

40 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (8) Frage: Befinden wir uns in einem sicheren Zustand? Bankier-Algorithmus: ) Zustand ist sicher.

41 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (9) Beispiel: –Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) –Maximalanforderungsmatrix M: –Aktuelle Belegungsmatrix E: –Aktuelle Restanforderungsmatrix A: –Ressourcenrestvektor F = ( ) Darf man in diesem Zustand dem 2. Prozess die Anforderung nach einem weiteren Bandlaufwerk erfüllen? Nein, das führt zu einem unsicheren Zustand! Bandlaufwerke Scanner CD-ROM Plotter Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess Prozess 3

42 RW-SystemarchitekurKap Bankieralgorithmus - Analyse Ist mit dem Bankieralgorithmus das Deadlock-Problem restlos gelöst? Leider nein, da –Prozesse können meist nicht im voraus eine verlässliche Obergrenze für ihre Ressourcenanforderungen geben (zumindest nicht exakt genug, so dass das System nicht durch Überschätzung des Ressourcenbedarfs zu ineffizienter Ausführung gezwungen wird) –Garantierte Obergrenzen würden häufig sogar die Anzahl der verfügbaren Ressourcen übersteigen, aber durch ständiges Zuweisen und Freigeben von Ressourcen stellt dies trotzdem kein Problem dar –Üblicherweise werden Prozesse dynamisch neu erzeugt werden und sind nicht statisch vorhanden –Ressourcen können auch plötzlich verschwinden (z.B. Bandlaufwerke fallen aus) ) Bankier-Algorithmus ist in der Theorie schön, löst aber nicht alle praktischen Probleme. ) Zur Deadlock-Verhinderung sind Informationen über zukünftige Ressourcen-Anforderungen nötig, die nicht bekannt sind!

43 RW-SystemarchitekurKap Deadlock-Vermeidung durch Negieren der Deadlock-Voraussetzungen Voraussetzungen für Deadlocks 1.Wechselseitiger Ausschluss: Jede Ressource ist entweder verfügbar oder genau einem Prozess zugeordnet. 2.Hold-and-wait-Bedingung: Prozesse, die schon Ressourcen reserviert haben, können noch weitere Ressourcen anfordern. 3.Ununterbrechbarkeit: Ressourcen, die einem Prozess bewilligt wurden, können nicht gewaltsam wieder entzogen werden. 4.Zyklische Wartebedingung: Es muss eine zyklische Kette von Prozessen geben, von denen jeder auf eine Ressource wartet, die dem nächsten Prozess in der Kette gehört. Reale Systeme versuchen nach Möglichkeit diese Bedingungen ganz oder teilweise außer Kraft zu setzen, um Deadlocks zu vermeiden.

44 RW-SystemarchitekurKap Negieren des wechselseitigen Ausschlusses (1) Wechselseitiger Ausschluss: Jede Ressource ist entweder verfügbar oder genau einem Prozess zugeordnet. Auf wechselseitigen Ausschluss kann man nicht verzichten. –Gleichzeitiges Drucken zweier Prozesse auf dem gleichen Drucker??? In gewissen Situationen lässt sich wechselseitiger Ausschluss aber einschränken. Bsp.: Drucken –Spooling: Prozesse drucken nicht direkt auf den Drucker, sondern in ein globales Spooling-Verzeichnis –Es gibt einen ständig laufenden Prozess (Drucker-Dämon), der als einziger den Drucker reserviert und Dateien aus dem Spooling-Verzeichnis der Reihe nach druckt. –Keine Deadlock-Probleme aufgrund Drucker-Zugriff, da nur ein einziger Prozess auf den Drucker zugreift. –Das funktioniert perfekt, wenn Speicher im Spooling-Verzeichnis unbegrenzt ist.

45 RW-SystemarchitekurKap Negieren des wechselseitigen Ausschlussess (2) Bsp.: Drucken –… –In Realität: Deadlock-Probleme, wenn Speicher im Spooling- Verzeichnis begrenzt / zu gering (Konkurrenz um Plattenplatz) –Szenario: 2 Prozesse füllen Spooling-Speicher je zur Hälfte, sind noch nicht fertig mit Drucken Aus Effizienzgründen normalerweise Druckbeginn erst, wenn Dateien komplett ins Spooling-Verzeichnis gedruckt. Keiner der beiden Prozesse wird fertig! ) Deadlock Allgemeines Prinzip: –Teile Ressourcen nur zu, wenn unbedingt nötig –Möglichst wenig Prozesse sollen Ressource selbst anfordern dürfen

46 RW-SystemarchitekurKap Negieren der Hold-and-Wait-Bedingung Hold-and-wait-Bedingung: Prozesse, die schon Ressourcen reserviert haben, können noch weitere Ressourcen anfordern. Lösungsansätze zur Auflösung der Hold-and-wait-Bedingung: –Prozesse müssen benötigte Ressourcen immer auf einmal und im voraus anfordern. Teilweise benutzt bei Betriebssystemen von Großrechnern Funktioniert nicht, wenn Prozesse Ressourcenbedarf nicht im voraus kennen. (siehe Bankier-Algorithmus) Keine effiziente Ressourcennutzung, da Ressourcen unnötig lange belegt –Vor Ressourcenanforderung werden alle Ressourcen kurzzeitig freigegeben, dann zusammen mit der neuen Ressource neu angefordert.

47 RW-SystemarchitekurKap Negieren der Ununterbrechbarkeit Ununterbrechbarkeit: Ressourcen, die einem Prozess bewilligt wurden, können nicht gewaltsam wieder entzogen werden. Kaum zu realisieren, dass Ressourcennutzung jederzeit ohne Schaden von außen unterbrochen werden kann.

48 RW-SystemarchitekurKap Negieren der zyklische Wartebedingung Zyklische Wartebedingung: Es muss eine zyklische Kette von Prozessen geben, von denen jeder auf eine Ressource wartet, die dem nächsten Prozess in der Kette gehört. Lösungsansätze zur Beseitigung der zyklischen Wartebedingung: –Jeder Prozess kann nur eine Ressource auf einmal belegen. Vorgehen in vielen Fällen unannehmbar –Ressourcen werden durchnummeriert. Reihenfolge der Ressourcenanforderung darf nur in aufsteigender Reihenfolge erfolgen. Belegungs-Anforderunggraph kann dann nicht zyklisch werden. Schwierigkeit, eine Ordnung zu finden, die allen Anforderungen gerecht wird

49 RW-SystemarchitekurKap Zusammenfassung Deadlock-Verhinderung ist schwierig, da dazu im allgemeinen Informationen über zukünftige Ressourcen- Anforderungen nötig sind, die nicht bekannt sind! Deadlock-Freiheit kann zwar prinzipiell erreicht werden, häufig jedoch um den Preis starker Effizienz-Verluste Häufig verzichtet man in der Praxis daher auf absolute Garantien für Deadlock-Freiheit. Warum geht bei solchen Systemen trotzdem meistens nichts schief? Weil sie nicht an ihrem Ressourcen-Limit betrieben werden.


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