Kapitel 11 Deadlocks RW-Systemarchitekur Kap. 11.

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1 Kapitel 11 Deadlocks RW-Systemarchitekur Kap. 11

2 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 RW-Systemarchitekur Kap. 11

3 11.1 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 pk benötigt evtl. auch rJ Resultat: pi rj rj pi pi rm rm pk pk rj pi rj rm pk RW-Systemarchitekur Kap. 11

4 Ressourcen und Anforderungsstrategien
sind exklusiv oder nicht exklusiv – exklusiv erfordert wechselseitigen Ausschluss beim Zugriff, sind präemptiv, d.h. können nach Zuteilung entzogen werden, oder nicht präemptiv, werden angefordert – sind sie belegt, wird Prozess blockiert, benutzt, freigegeben können auf einmal oder sequentiell nacheinander angefordert werden; geschlossene Anforderung verringert ausgenützten Pseudoparallelismus, führt im Extremfall zu sequentieller Ausführung. RW-Systemarchitekur Kap. 11

5 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 1 2 4 3 RW-Systemarchitekur Kap. 11

6 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 RW-Systemarchitekur Kap. 11

7 Voraussetzungen für Deadlocks
Folgende Voraussetzungen müssen erfüllt sein, damit ein Deadlock auftreten kann: Wechselseitiger Ausschluss: Jede Ressource ist entweder verfügbar oder genau einem Prozess zugeordnet. Hold-and-wait-Bedingung: Prozesse, die schon Ressourcen reserviert haben, können noch weitere Ressourcen anfordern. Ununterbrechbarkeit: Ressourcen, die einem Prozess bewilligt wurden, können nicht wieder entzogen werden. 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. RW-Systemarchitekur Kap. 11

8 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 pi: Quadrate repräsentieren Ressourcen rj: Eine Kante von einer Ressource rj zu einem Prozess pi bedeutet: Ressource rj wird von Prozess pi belegt. Eine Kante von einem Prozess pi zu einer Ressource rj bedeutet: Prozess pi hat Ressource rj angefordert, aber noch nicht erhalten. pi rj rj pi pi rj RW-Systemarchitekur Kap. 11

9 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! p1 r1 r2 p2 RW-Systemarchitekur Kap. 11

10 Beispiel – Abarbeitungsfolge 1
Prozesse p1, p2, p3, Ressourcen R, S, T Prozess p1: Anforderung R, Anforderung S, Freigabe R, Freigabe S Prozess p2: Anforderung S, Anforderung T, Freigabe S, Freigabe T Prozess p3: Anforderung T, Anforderung R, Freigabe T, Freigabe R 1. p1 belegt R. p1 p2 p3 R S T 2. p2 belegt S. p1 p2 p3 R S T 3. p3 belegt T. p1 p2 p3 R S T p1 p2 p3 R S T 4. p1 verlangt S. p1 p2 p3 R S T 5. p2 verlangt T. p1 p2 p3 R S T 6. p3 verlangt R. Deadlock! RW-Systemarchitekur Kap. 11

11 Beispiel – Abarbeitungsfolge 2
Prozesse p1, p2, p3, Ressourcen R, S, T Prozess p1: Anforderung R, Anforderung S, Freigabe R, Freigabe S Prozess p2: Anforderung S, Anforderung T, Freigabe S, Freigabe T Prozess p3: Anforderung T, Anforderung R, Freigabe T, Freigabe R 1. p1 belegt R. 2. p3 belegt T. 3. p1 belegt S. p1 p2 p3 p1 p2 p3 p1 p2 p3 R S T R S T R S T 4. p3 verlangt R. 5. p1 gibt R frei. 6. p1 gibt S frei. p1 p2 p3 p1 p2 p3 p1 p2 p3 Kein Deadlock! R S T R S T R S T RW-Systemarchitekur Kap. 11

12 Deadlock-Vermeidung (1)
Fortschritt Prozess p2 Beide Prozesse beendet Beide benötigen Drucker Drucker I8 Was ist ein sicherer Zustand? es gibt eine deadlock-freie Fortsetzung alle Fortsetzungen sind deadlock-frei I7 I6 Deadlock unvermeidbar! t I5 Plotter Beide benötigen Plotter Start I1 I2 I3 I4 Fortschritt Prozess p1 Drucker Plotter RW-Systemarchitekur Kap. 11

13 Deadlock-Vermeidung (2)
Fortschritt Prozess p2 Beide benötigen Drucker Beide Prozesse beendet Drucker I8 I7 I6 t I5 Plotter Beide benötigen Plotter Start I1 I2 I3 I4 Fortschritt Prozess p1 Drucker Plotter RW-Systemarchitekur Kap. 11

14 11.2 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! RW-Systemarchitekur Kap. 11

15 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 <P1, P2, …, Pn>, so dass die Ressourcenanforderungen von Pi mittels der eigenen, der verfügbaren und der von den Pj für j<i belegten befriedigt werden können. insbesondere wenn die Prozesse ihre restlichen Anforderungen auf einen Schlag stellen und Freigaben erst bei Prozessbeendigung durchführen. Sonst: Zustand ist unsicher. Nach Voraussetzung ist der Startzustand sicher! Beachte: Ein unsicherer Zustand muss nicht notwendigerweise zu einem Deadlock führen (Überapproximation). Worin steckt die Überapproximation? RW-Systemarchitekur Kap. 11

16 Bankieralgorithmus (2)
Der Bankieralgorithmus prüft also bei jeder Ressourcenanforderung eines Prozesses pi, ob das System bei Erfüllung der Anforderung in einen unsicheren Zustand kommt. Falls ja: Erfülle Anforderung nicht, stelle Prozess pi zurück und mache mit einem anderen Prozess weiter. Dadurch garantiert der Bankieralgorithmus in jedem Fall eine deadlockfreie Ausführung. RW-Systemarchitekur Kap. 11

17 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 RW-Systemarchitekur Kap. 11

18 Bankieralgorithmus – Eine einzige Ressourcenklasse (2)
Gegeben: n Prozesse p1, …, pn, die Ressourcen aus einer einzigen Klasse anfordern Anzahl zur Verfügung stehender Ressourcen: V 2 N Für jeden Prozess pi gibt es eine maximale Anzahl Mi von Ressourcen, die der Prozess anfordern wird, eine Anzahl von Ressourcen Ei , die der Prozess zu einem bestimmten Zeitpunkt schon erhalten hat, eine Anzahl von Ressourcen, die der Prozess nach diesem Zeitpunkt noch maximal anfordern wird: Ai = Mi - Ei Die Anzahl der freien Ressourcen zu diesem Zeitpunkt ergibt sich zu F = V - i=1n Ei Es gilt weiterhin: Mi · V 81 · i · n Ei · Mi 81 · i · n RW-Systemarchitekur Kap. 11

19 Bankieralgorithmus – Eine einzige Ressourcenklasse (3)
Beispiel: Es gibt V = 10 Instanzen einer Ressource. 3 Prozesse p1, p2, p3 Maximale Anforderungen: Zustand zum Zeitpunkt t: Frage: Ist dies ein sicherer Zustand? Mi p p p Ei Ai p p p F = 10 – 7 = 3 RW-Systemarchitekur Kap. 11

20 Bankieralgorithmus – Eine einzige Ressourcenklasse (4)
Nachweis, dass es sich um einen sicheren Zustand handelt: Ei Ai Mi p p p Ei Ai Mi p p p Ei Ai Mi p p p Führe zunächst ausschließlich Prozess p2 aus Freigabe durch Prozess p2 F = 10 – 7 = 3 F = 10 – 9 = 1 F = 10 – 5 = 5 Führe ausschließlich Prozess p3 aus Ei Ai Mi p p p Ei Ai Mi p p p Freigabe durch Prozess p3 Jetzt kann Prozess 1 zu Ende gebracht werden! RW-Systemarchitekur Kap. 11 F = 10 – 10 = 0 F = 10 – 3 = 7

21 Bankieralgorithmus – Eine einzige Ressourcenklasse (5)
Weise nun zunächst Prozess p1 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. Ei Ai Mi p p p Ei Ai Mi p p p F = 10 – 7 = 3 F = 10 – 8 = 2 RW-Systemarchitekur Kap. 11

22 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 p1 und p3 nicht ausführen. ) Führe Prozess p2 aus. Ei Ai Mi p p p F = 10 – 8 = 2 RW-Systemarchitekur Kap. 11

23 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 p1 noch Prozess p3 ausführen, wenn sie ihre Ressourcenanforderungen sofort stellen und vor Prozessbeendigung nichts freigeben. ) Der Zustand ist unsicher. Ei Ai Mi p p p Ei Ai Mi p p p Ei Ai Mi p p p Führe Prozess p2 bis zum Ende aus Freigabe durch Prozess p2 F = 10 – 8 = 2 F = 10 – 10 = 0 F = 10 – 6 = 4 RW-Systemarchitekur Kap. 11

24 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. RW-Systemarchitekur Kap. 11

25 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 pi können höchstens mehr Ressourcen zur Verfügung stehen. ) Alle Prozesse pj, die vorher ausführbar waren, sind nach Ausführung von pi 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. RW-Systemarchitekur Kap. 11

26 Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (1)
Mehrere Ressourcenklassen, z.B. Drucker, Plotter, … Gegeben: n Prozesse p1, …, pn, die Ressourcen aus Klassen K1, …, Km anfordern Anzahl zur Verfügung stehender Ressourcen aus Klasse Kk: Vk 2 N (1 · k · m) ) Vektor verfügbarer Ressourcen (V1, …, Vm) Für jeden Prozess pi und jede Ressourcenklasse Kk gibt es eine maximale Anzahl Mik von Ressourcen der Klasse Kk, die der Prozess pi anfordern wird ) Maximalanforderungsmatrix M11 M12 M13 … M1m M21 M22 M23 … M2m Mn1 Mn2 Mn3 … Mnm … … … … Zeile i gibt Maximalanforderungen von Prozess i an. RW-Systemarchitekur Kap. 11

27 Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (2)
… eine Anzahl Eik von Ressourcen der Klasse Kk, die der Prozess pi zu einem bestimmten Zeitpunkt schon erhalten hat ) Belegungsmatrix eine Anzahl von Ressourcen der Klasse Kk, die der Prozess pi nach diesem Zeitpunkt noch maximal anfordern wird: Aik = Mik - Eik ) Restanforderungsmatrix E11 E12 E13 … E1m E21 E22 E23 … E2m En1 En2 En3 … Enm … … … … Zeile i gibt an, welche Ressourcen Prozess i schon erhalten hat. A11 A12 A13 … A1m A21 A22 A23 … A2m An1 An2 An3 … Anm Zeile i gibt an, welche Ressourcen Prozess i maximal noch anfordern wird. … … … … RW-Systemarchitekur Kap. 11

28 Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (3)
Die Anzahl der freien Ressourcen der Klasse Kk zu diesem Zeitpunkt ergibt sich zu Fk = Vk - i=1n Eik ) Ressourcenrestvektor (F1, …, Fm) Es gilt weiterhin: Eik · Mik · Vk 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 (v1, …, vm), (w1, …, wm) 2 Nm gilt (v1, …, vm) · (w1, …, wm) gdw. vi · wi 81 · i · m RW-Systemarchitekur Kap. 11

29 Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (4)
Überprüfung auf sicheren Zustand: Teste, ob es einen Prozess pi 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: (Ai1, …, Aim) · (F1,…, Fm) (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 pi Nimm an, dass dieser Prozess ausgeführt wird und alle seine Ressourcen danach freigibt, d.h. addiere (Ei1, …, Eim) zu (F1,…, Fm). Teste, ob es nun einen anderen Prozess pj gibt, dessen Ressourcenanforderung erfüllt wird (Aj1, …, Ajm) · (F1,…, Fm) 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. RW-Systemarchitekur Kap. 11

30 Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (5)
Bandlaufwerke Plotter Scanner CD-ROM Beispiel: Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) Maximalanforderungsmatrix M: Aktuelle Belegungsmatrix E: Aktuelle Restanforderungsmatrix A: Ressourcenrestvektor F = ( ) Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 RW-Systemarchitekur Kap. 11

31 Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (6)
Frage: Befinden wir uns in einem sicheren Zustand? ) Bankier-Algorithmus RW-Systemarchitekur Kap. 11

32 Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (7)
Bandlaufwerke Plotter Scanner CD-ROM Beispiel: Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) Maximalanforderungsmatrix M: Aktuelle Belegungsmatrix E: Aktuelle Restanforderungsmatrix A: Ressourcenrestvektor F = ( ) Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 Nur 3. Zeile A3 = ( ) der Restanforderungsmatrix ist kleiner gleich Ressourcenrestvektor F = ( ). RW-Systemarchitekur Kap. 11

33 Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (7)
Bandlaufwerke Plotter Scanner CD-ROM Beispiel: Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) Maximalanforderungsmatrix M: Aktuelle Belegungsmatrix E: Aktuelle Restanforderungsmatrix A: Ressourcenrestvektor F = ( ) Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 „Ausführung“ von Prozess 3 RW-Systemarchitekur Kap. 11

34 Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (7)
Bandlaufwerke Plotter Scanner CD-ROM Beispiel: Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) Maximalanforderungsmatrix M: Aktuelle Belegungsmatrix E: Aktuelle Restanforderungsmatrix A: Ressourcenrestvektor F = ( ) Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 Ressourcenfreigabe RW-Systemarchitekur Kap. 11

35 Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (7)
Bandlaufwerke Plotter Scanner CD-ROM Beispiel: Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) Maximalanforderungsmatrix M: Aktuelle Belegungsmatrix E: Aktuelle Restanforderungsmatrix A: Ressourcenrestvektor F = ( ) Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 Nur 2. Zeile A2 = ( ) der Restanforderungsmatrix kleiner gleich Ressourcenrestvektor F = ( ). RW-Systemarchitekur Kap. 11

36 Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (7)
Bandlaufwerke Plotter Scanner CD-ROM Beispiel: Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) Maximalanforderungsmatrix M: Aktuelle Belegungsmatrix E: Aktuelle Restanforderungsmatrix A: Ressourcenrestvektor F = ( ) Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 „Ausführung“ von Prozess 2 RW-Systemarchitekur Kap. 11

37 Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (7)
Bandlaufwerke Plotter Scanner CD-ROM Beispiel: Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) Maximalanforderungsmatrix M: Aktuelle Belegungsmatrix E: Aktuelle Restanforderungsmatrix A: Ressourcenrestvektor F = ( ) Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 Ressourcenfreigabe RW-Systemarchitekur Kap. 11

38 Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (7)
Bandlaufwerke Plotter Scanner CD-ROM Beispiel: Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) Maximalanforderungsmatrix M: Aktuelle Belegungsmatrix E: Aktuelle Restanforderungsmatrix A: Ressourcenrestvektor F = ( ) Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 „Ausführung“ von Prozess 1 RW-Systemarchitekur Kap. 11

39 Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (7)
Bandlaufwerke Plotter Scanner CD-ROM Beispiel: Vektor verfügbarer Ressourcen: V = ( ) Maximalanforderungsmatrix M: Aktuelle Belegungsmatrix E: Aktuelle Restanforderungsmatrix A: Ressourcenrestvektor F = ( ) Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 Ressourcenfreigabe RW-Systemarchitekur Kap. 11

40 Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (8)
Frage: Befinden wir uns in einem sicheren Zustand? Bankier-Algorithmus: ) Zustand ist sicher. RW-Systemarchitekur Kap. 11

41 Bankieralgorithmus – Mehrere Ressourcenklassen (9)
Bandlaufwerke Plotter Scanner CD-ROM 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! Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 Prozess Prozess Prozess 3 RW-Systemarchitekur Kap. 11

42 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! RW-Systemarchitekur Kap. 11

43 Deadlock-Vermeidung durch Negieren der Deadlock-Voraussetzungen
Voraussetzungen für Deadlocks Wechselseitiger Ausschluss: Jede Ressource ist entweder verfügbar oder genau einem Prozess zugeordnet. Hold-and-wait-Bedingung: Prozesse, die schon Ressourcen reserviert haben, können noch weitere Ressourcen anfordern. Ununterbrechbarkeit: Ressourcen, die einem Prozess bewilligt wurden, können nicht gewaltsam wieder entzogen werden. 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. RW-Systemarchitekur Kap. 11

44 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. RW-Systemarchitekur Kap. 11

45 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 RW-Systemarchitekur Kap. 11

46 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. RW-Systemarchitekur Kap. 11

47 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. RW-Systemarchitekur Kap. 11

48 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 RW-Systemarchitekur Kap. 11

49 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. RW-Systemarchitekur Kap. 11