Zablokování (deadlock, smrtelné objetí, uváznutí)

Zablokování Současně běží více procesů požadujících přidělení určitých prostředků výpočetního systému a převedených do stavu blokovaných procesů – tj. čekají, Vznik problému: proces drží určité prostředky, požaduje přidělení dalších prostředků, tyto nedostane a je převeden do stavu blokovaných procesů, přičemž drží nadále již dříve přidělené prostředky požadované jinými (čekajícími) procesy.

Zablokování Vznik takové situace = zablokování (uváznutí), deadlock ? Okolnosti, kdy k takové situaci může dojít ? Jak vzniku takové situace předejít ? Jak takovou situaci pokud již vznikla řešit

Okolnosti vzniku zablokování Nemůže vzniknout v systémech s jedním procesem, Multiprocesové systémy: typicky běžící procesy soutěží o přidělení prostředků. Běžící proces může prostředky požadovat: Explicitně (během své existence) Implicitně (během svého vzniku)

Okolnosti vzniku zablokování Prostředky dvou typů: Odejmutelné (preemptable) – mohou být procesu odebrány aniž dojde k nevratnému narušení dalšího korektního chodu procesu (procesor, paměť), Neodejmutelné (nonpreemptable) – nelze procesu odejmout, aniž by nedošlo ke vzniku chyby v chodu procesu nebo výsledku činnosti (tiskárna)

Okolnosti vzniku zablokování Situace zablokování se tedy týká procesů, které pracují s prostředky, které v daném okamžiku může používat pouze jeden proces a které jsou neodejmutelné.

Definice zablokování Lze definovat jako stav, v němž dva nebo více procesů čeká na splnění podmínky, která nemůže nikdy nastat. Důvodem této nemožnosti však musí být to, že tuto podmínku, na jejíž splnění čeká určitý proces, může splnit pouze jiný proces ze skupiny zablokovaných procesů – tedy proces nacházející se ve stejné situaci Důležitý moment zablokování=společné čekání

Definice zablokování Množina procesů je zablokována, pokud každý proces z této množiny čeká na událost, kterou může způsobit pouze jiný proces z této množiny.

Modelování zablokování Pomocí orientovaných grafů Orientovaný graf pracuje s uzly dvou typů: kroužek=proces čtverec=prostředek

Modelování zablokování Mezi jednotlivými uzly jsou orientované hrany: Hrana směřující od procesu k prostředku představuje žádost o přidělení prostředku

Modelování zablokování Hrana směřující od prostředku k procesu znamená, že daný prostředek byl procesu přidělen a proces ho používá:

Modelování zablokování Uvedené zobrazení je také označováno jako graf přidělení systémových prostředků (system resource allocation graph),

Modelování zablokování „deadlock“ A T U B

Modelování zablokování Více instancí téhož prostředku je možné vyznačit tečkami ve čtvercovém uzlu:

Modelování zablokování V grafu není kružnice  zablokování nedošlo V grafu je kružnice  k zablokování mohlo dojít

Modelování zablokování P2 R1 P1 P3 R2 P4

Podmínky pro vznik zablokování Coffman, Elphick a Shoshani (1971) identifikovali 4 nutné podmínky, které musí být splněny současně pro vznik zablokování Vzájemné vyloučení při přidělování prostředků, Postupné přidělování prostředků, Neodnímatelnost přidělených prostředků, Vznik kruhového čekání

Metody (strategie) řešení problému zablokování: 3 přístupy: Ignorování existence problému, Volba takového postupu, aby k zablokování nemohlo dojít: Předcházením zablokování (deadlock prevention) Vyhnutí se zablokování (deadlock avoidance) Připustit vznik zablokování, ale použitím metod detekce jej detekovat a následně provést zásah směřující k odstranění zablokování – tj. provedení obnovy (zotavení systému) – detection and recovery

Metody řešení problému zablokování: I. Ignorování problému (pštrosí algoritmus) Počítá se s možností vzniku zablokování – úvahy o pravděpodobnosti (matematické hledisko, inženýrské hledisko, dle určení systému, rovnováha nákladů na řešení (větší režie systému) vs. přínosy

Metody řešení problému zablokování: IIa. Předcházení (prevence) zablokování – deadlock prevention. Založeno na existenci 4 nutných podmínek pro vznik zablokování Často používaná metoda (nízká režie) Hlavní nevýhoda=nízká míra využití prostředků

Podmínky pro vznik zablokování I. Podmínka vzájemného vyloučení při přidělování prostředků (mutual exclusion condition) = v systému existují prostředky, které mohou být v daném okamžiku přiděleny nejvýše jednomu procesu (nebo jsou volné)

Metody řešení problému zablokování: Prolomení některé z nutných podmínek: A) Podmínka vzájemného vyloučení V řadě případů nelze využít, platí však zásada, že pokud to není nezbytně nutné nemá se používat vzájemné vyloučení

Podmínky pro vznik zablokování II. Podmínka postupného přidělování prostředků (hold and wait) = V systému je možné prostředky přidělovat postupně aniž by proces musel uvolnit dříve získané prostředky, procesy s již přidělenými prostředky se mohou snažit o přidělení dalších

Metody řešení problému zablokování: Strategie 1: Každý proces musí požadovat všechny prostředky, které bude potřebovat, naráz (a dokud je nedostane, nemůže pokračovat v běhu), Strategie 2: Pokud proces, který již drží nějaké prostředky, požaduje přidělení dalších prostředků a toto mu bylo odmítnuto, musí nejdříve vrátit všechny prostředky, které drží, a teprve poté o ně znovu požádat,

Metody řešení problému zablokování: B) podmínka postupného přidělování prostředků (hold and wait condition): 1. strategie Metoda úplného počátečního přidělení všech sdílených prostředků Bezpečná a jednoduchá metoda Nevýhoda: seznam požadovaných prostředků musí být znám již při vzniku procesu, nízké využití prostředků, součet požadavků všech procesů <= celkové kapacitě prostředků systému

Podmínky pro vznik zablokování III. Podmínka neodnímatelnosti přidělených prostředků, = přidělený prostředek nemůže být procesu odejmut do té doby, dokud proces nedokončil používání tohoto prostředku a dokud tedy proces sám neuvolní používaný prostředek

Metody řešení problému zablokování: C) podmínka neodnímatelnosti přidělených prostředků (no preemption condition) 2. strategie Zavedení pravidla požadujícího, aby proces, který již má přiděleny nějaké prostředky a požaduje přidělení dalších prostředků nejdříve vrátil všechny dříve přidělené prostředky a teprve následně požádal o přidělení (všech) prostředků,

Podmínky pro vznik zablokování IV. Podmínky vzniku kruhového čekání =musí existovat množina (nejméně dvou) čekajících procesů, kde proces P0 čeká na prostředek držený procesem P1, proces P1 čeká na prostředek používaný procesem P2 a tak dále až k procesu Pn, který čeká na prostředek používaný procesem P0

Metody řešení problému zablokování: Strategie 3: Musí být zajištěno přidělování prostředků podle lineárního uspořádání prostředků (proces může obdržet požadovaný prostředek pouze tehdy, je-li v daném uspořádání prostředků požadovaný prostředek zařazen výše než kterýkoliv z prostředků, které již proces má přidělen).

Metody řešení problému zablokování: D) Podmínka vzniku kruhového čekání (circular wait condition) Nejtriviálněji: proces může mít přidělen jen jeden prostředek 3. strategie – přidělované prostředky jsou uspořádány do lineárního systému (například očíslováním) a proces musí žádat o přidělení prostředků v určitém předepsaném pořadí.

Metody řešení problému zablokování: Tj. prostředky byly uspořádány do určité hierarchie (řady) a proces držící určitý prostředek může požádat pouze o prostředek, který stojí v dané hieararchii výše Důsledek: nemůže dojít ke vzniku kružnice v grafu přidělení prostředků

Metody řešení problému zablokování: Problémy: Stanovení vhodného uspořádání pro různé prostředky (během instalace systému, jak se změní po doplnění dalšího prostředku)

Metody řešení problému zablokování: IIb. Vyhnutí se zablokování (deadlock avoidance) Založena na představě, že systém bude umět rozpoznat, zda je „bezpečné“ vyhovět požadavku procesu o přidělení prostředků, a že toto přidělení provede pouze za situace, kdy je přidělení bezpečné Vyžaduje předem znalost určitých informací

Metody řešení problému zablokování: Metoda je tedy založena na vyhnutí se zablokování pečlivým přidělováním prostředků. Pracuje s tzv. postupovou dráhou („trajektorií prostředků“) a pojmy „bezpečný stav“ a „nebezpečný stav“

P2 T N D P t T P1 P

Metody řešení problému zablokování: V bodě „t“ musí systém rozhodnout, zda procesu P2 přidělí plotter (a dojde k zablokování) nebo proces P2 odloží, přidělí (časem) plotter procesu P1 (a vyhne se tak zablokování).

Metody řešení problému zablokování: „bezpečný stav“: stav, kdy procesy nejsou zablokované a existuje cesta (trajektorie) jak uspokojit všechny požadavky běžících procesů ve vhodném pořadí. Pokud taková cesta není, je stav „nebezpečný“ (což neznamená, že jsou procesy zablokované a že k zablokování nutně musí dojít)

Metody řešení problému zablokování: Procesy: Má Chce A 3 9 - B 2 4 C 7 Volné 1 5 10 Celkem prostředků=10 Je to bezpečný stav

Metody řešení problému zablokování: Procesy: Má Chce A 3 9 4 B 2 - C 7 6 Volné Celkem prostředků=10 Není to bezpečný stav

Metody řešení problému zablokování: III. Detekce a zotavení. Systém se nepokouší zablokování zabránit, ale snaží se detekovat jeho vznik a poté odstranit, Jak detekce zablokování tak odstranění zablokování znamená režii, Způsoby detekce: např. graf přidělování prostředků (algoritmus pro detekci cyklů v grafu)

Metody řešení problému zablokování: Zotavení: Využitím preempce (odebráním prostředku některému procesu z množiny procesů, které jsou zablokovány) Využitím systému kontrolních bodů (checkpointů), stav systému periodicky zaznamenáván, v případě vzniku zablokování je proces, který drží prostředek, u něhož požadavek na přidělení vedl k zablokování, vrácen zpět do jednoho ze stavů z doby před přidělením tohoto prostředku, Likvidací některého z procesů

Metody řešení problému zablokování: Detekce je možná vždy, obnovení není vždy možné. Značná režie

Metody řešení problému zablokování: Kombinovaný přístup: Žádný z uvedených algoritmů sám není vhodný pro celé spektrum problémů přidělování zdrojů v operačním systému, Pro každou třídu problémů je vhodné použít různou startegii