Deadlock Modello del sistema Caratterizzazione dei deadlock Metodi per la gestione dei deadlock Prevenire i deadlock Evitare i deadlock Rilevamento dei deadlock Ripristino da situazioni di deadlock Approccio combinato alla gestione dei deadlock Sistemi Operativi

Il problema del deadlock Un insieme di processi bloccati: ciascun processo “possiede” una risorsa, ed attende di acquisire una risorsa posseduta da un altro processo dell’insieme. Esempio Il sistema ha 2 lettori di nastri. P1 e P2 posseggono ciascuno un lettore, e ciascuno ha bisogno di quello posseduto dall’altro processo. semafori A e B, inizializzati a 1 P0 P1 wait (A); wait(B) wait (B); wait(A) Sistemi Operativi

Esempio: attraversamento di un ponte Sul ponte possono transitare autoveicoli solo in una direzione alla volta. Ciascuna sezione del ponte può essere vista come una risorsa. Se si verifica un deadlock, può essere risolto se un’auto torna indietro (rilascia la risorsa). Può essere necessario che più auto debbano tornare indietro in caso di deadlock. E’ possibile la starvation (attesa indefinita). Sistemi Operativi

Modello di sistema Tipi di risorse R1, R2, . . ., Rm Cicli di CPU, spazio di memoria, dispositivi di I/O Ciascun tipo di risorsa Ri ha Wi istanze. Ciascun processo impiega una risorsa in uno dei seguenti modi: richiesta uso rilascio Sistemi Operativi

Caratterizzazione dei deadlock Un deadlock può avvenire se e solo se sono verificate le seguenti quattro condizioni contemporaneamente. Mutua esclusione: un solo processo alla volta può usare una risorsa. Possesso ed attesa: un processo che possiede almeno una risorsa, attende di acquisire ulteriori risorse possedute da altri processi. Impossibilità di prelazione: una risorsa può essere rilasciata dal processo che la possiede solo volontariamente, al termine del suo compito. Attesa circolare: esiste un insieme {P0, P1, …, Pn} di processi in attesa, tali che P0 è in attesa per una risorsa che è posseduta da P1, P1 è in attesa per una risorsa che è posseduta da P2, …, Pn–1 è in attesa per una risorsa che è posseduta da Pn, e Pn è in attesa per una risorsa che è posseduta da P0. Sistemi Operativi

Grafo di allocazione delle risorse Un grafo è un insieme di vertici (o nodi) V e un insieme di archi E. V è partizionato in due tipi : P = {P1, P2, …, Pn}, è l’insieme costituito da tutti i processi nel sistema. R = {R1, R2, …, Rm}, è l’insieme costituito da tutti i tipi di risorse nel sistema. Arco di richiesta (arco orientato) P1  Rj Arco di assegnamento (arco orientato) Rj  Pi Sistemi Operativi

Grafo di allocazione delle risorse Processo Tipo di risorsa con 4 istanze Pi richiede un’istanza di Rj Pi possiede una risorsa di Rj Pi Rj Pi Rj Sistemi Operativi

Grafi di allocazione con e senza deadlock Sistemi Operativi

Grafo di allocazione delle risorse Se il grafo non contiene cicli  no ci sono deadlock. Se il grafo contiene un ciclo  se si ha una sola istanza per ogni tipo di risorsa, allora si ha un deadlock. se si hanno più istanze per tipo di risorsa, allora il deadlock è possibile. Sistemi Operativi

Metodi per la gestione dei deadlock Assicurare che il sistema non entri mai in uno stato di deadlock. 1) Prevenzione dei deadlock: rimuovere dal sistema ogni possibilità che ci sia un deadlock => basso utilizzo risorse. 2) Evitare i deadlock: ci sono le condizioni perché intervenga un deadlock, ma si evita di entrarci effettivamente. Permettere al sistema di entrare in uno stato di deadlock, ma poi risolvere questo problema (ripristinare il sistema). 3) Determinare la presenza di un deadlock. 4) Ripristinare il sistema da un deadlock. Ignorare il problema e fingere che i deadlock non avvengano mai nel sistema; impiegato dalla maggioranza dei sistemi operativi, incluso UNIX. Sistemi Operativi

Prevenzione dei deadlock Limitare i modi in cui possono essere fatte delle richieste. Mutua Esclusione – non è richiesta per risorse che possono essere condivise; deve valere per risorse che non possono essere condivise. Possesso e attesa – si deve garantire che quando un processo richiede una risorsa, questo non possieda altre risorse. Richiedere ad un processo di stabilire ed allocare tutte le sue risorse prima che inizi l’esecuzione, o consentire ad un processo di richiedere risorse solo quando il processo non ne possiede alcuna. Si ha un basso impiego delle risorse. E’ possibile che si verifichi l’attesa indefinita. Sistemi Operativi

Prevenzione dei deadlock Impossibilità di prelazione Se un processo che possiede alcune risorse richiede un’altra risorsa che non gli può essere allocata immmediatamente, allora rilascia tutte le risorse possedute. Le risorse rilasciate (prelazionate dal processo stesso) sono aggiunte alla lista delle risorse che il processo sta attendendo. Il processo viene avviato nuovamente solo quando può ottenere le sue vecchie e nuove risorse. Attesa circolare – si impone un ordinamento totale di tutti i tipi di risorsa e si pretende che ciascun processo richieda le risorse con un ordine di numerazione crescente. Sistemi Operativi

Evitare i deadlock Richiede che il sistema possegga alcune informazioni addizionali a priori. Il modello più semplice e utile richiede che ciascun processo dichiari il numero massimo di risorse di ciascun tipo di cui può avere bisogno. L’algoritmo per evitare i deadlock esamina dinamicamente lo stato di allocazione delle risorse per assicurare che non ci possa mai essere una condizione di attesa circolare. Lo stato di allocazione delle risorse è definito dal numero di risorse disponibili ed allocate, e dal massimo numero di richieste dei processi. Sistemi Operativi

Stato sicuro Quando un processo richiede una risorsa disponibile, il sistema deve decidere se l’allocazione immediata porti il sistema in uno stato sicuro. Il sistema è in uno stato sicuro se esiste una sequenza sicura di esecuzione di tutti i processi. La sequenza <P1, P2, …, Pn> è sicura se per ogni Pi, le risorse che Pi può ancora richiedere possono essere soddisfatte dalle risorse correntemente disponibili + risorse possedute da tutti i Pj, con j<i. Se le richieste della risorsa Pi non sono immediatamente disponibili, allora Pi può attendere finché Pj ha terminato. Quando Pj ha terminato, Pi può ottenere le risorse richieste, eseguire i suoi compiti, restituire le risorse allocate e terminare. Quando Pi termina, Pi+1 può ottenere le risorse richieste, e così via. Sistemi Operativi

Stato sicuro Se un sistema è in uno stato sicuro  non si evolve verso il deadlock. Se un sistema è in uno stato non sicuro  possibilità di un deadlock. Avoidance  assicura che un sistema non entri mai in uno stato non sicuro. Sistemi Operativi

Algoritmo con grafo di allocazione delle risorse Un arco di reclamo Pi  Rj indica che il processo Pj può richiedere la risorsa Rj; rappresentata da una linea tratteggiata. Un arco di reclamo viene convertito in un arco di richiesta quando un processo richiede una risorsa. Quando una risorsa viene rilasciata da un processo l’arco di assegnamento viene riconvertito in un arco di reclamo. Le risorse devono venir reclamate a priori nel sistema. Prima che il processo Pi inizi l’esecuzione, tutti i suoi archi di reclamo devono essere già inseriti nel grafo di allocazione risorse. Sistemi Operativi

Grafo di allocazione risorse per evitare deadlock e stato non sicuro in un grafo di allocazione risorse Sistemi Operativi

Algoritmo del banchiere Permette di gestire istanze multiple di una risorsa (a differenza del grafo di allocazione delle risorse). Ciascun processo deve dichiarare a priori il massimo impiego di risorse. Quando un processo richiede una risorsa può aver bisogno di attendere. Quando un processo prende tutte le sue risorse deve restituirle in un tempo finito. Sistemi Operativi

Strutture dati per l’algoritmo del banchiere Sia n = numero di processi, e m = numero di tipi di risorse. Available: Vettore di lunghezza m. Se Available[j] = k, ci sono k istanze disponibili del tipo di risorsa Rj. Max: matrice n x m. Se Max [i,j] = k, allora il processo Pi può richiedere al più k istanze del tipo di risorsa Rj. Allocation: matrice n x m. Se Allocation[i,j] = k allora a Pi sono allocate correntemente k istanze di Rj. Need: matrice n x m. Se Need[i,j] = k, allora Pi può richiedere k ulteriori istanze di Rj per completare il suo task. Need [i,j] = Max[i,j] – Allocation [i,j]. Sistemi Operativi

Algoritmo di verifica della sicurezza 1. Siano Work e Finish due vettori di lunghezza m e n, rispettivamente. Si inizializzi: Work := Available Finish [i] = false per i = 1,2, …, n. 2. Cerca un i tale che valgano contemporaneamente le seguenti relazioni: (a) Finish [i] = false (b) Needi  Work Se non esiste un tale i, andare al passo 4. 3. Work := Work + Allocationi Finish[i] := true andare al passo 2. 4. Se Finish [i] = true per tutti gli i, allora il sistema è in uno stato sicuro. Sistemi Operativi

Algoritmo di richiesta delle risorse per processo Pi Sia Requesti il vettore delle richieste per il processo Pi. Se Requesti [j] = k allora il processo Pi vuole k istanze del tipo di risorsa Rj. 1. Se Requesti  Needi vai al passo 2. Altrimenti, riporta una condizione di errore, dato che il processo ha ecceduto il massimo numero di richieste. 2. Se Requesti  Available, vai al passo 3. Altrimenti Pi deve attendere, dato che le risorse non sono disponibili. 3. Il sistema simula l’allocazione al processo Pi modificando lo stato di allocazione delle risorse: Available := Available – Requesti; Allocationi := Allocationi + Requesti; Needi := Needi – Requesti;; Se stato sicuro  le risorse sono allocate a Pi. Se stato non sicuro  Pi deve attendere, e viene ripristinato il vecchio stato di allocazione delle risorse. Sistemi Operativi

Esempio 5 processi da P0 a P4; 3 tipi di risorse A (10 istanze), B (5 istanze), e C (7 istanze). Fotografia al tempo T0: Allocation Max Available 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 Sistemi Operativi

Esempio Il contenuto della matrice Need è definito come Max – Allocation. Need A B C P0 7 4 3 P1 1 2 2 P2 6 0 0 P3 0 1 1 P4 4 3 1 Il sistema è in uno stato sicuro dato che la sequenza < P1, P3, P4, P2, P0> soddisfa i criteri di sicurezza. Sistemi Operativi

Esempio: P1 richiede (1,0,2) Verificare che Requesti  Available (cioè, (1,0,2)  (3,3,2)  vero). Allocation Need Available 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 1 6 0 0 P3 2 1 1 0 1 1 P4 0 0 2 4 3 1 L’esecuzione dell’algoritmo di sicurezza mostra che la sequenza <P1, P3, P4, P0, P2> soddisfa i requisiti di sicurezza. Può essere soddisfatta la richiesta di P4 per (3,3,0)? Può essere soddisfatta la richiesta di P4 per (0,2,0)? Sistemi Operativi

Rilevamento dei deadlock Si permette al sistema di entrare in uno stato di deadlock Sono necessari Algoritmo di rilevamento Schema di recupero Sistemi Operativi

Istanza singola di ciascun tipo di risorsa Impiega un grafo di attesa I nodi sono processi. Pi  Pj se Pi è in attesa che Pj rilasci una risorsa che gli occorre. Periodicamente viene richiamato un algoritmo che ricerca un ciclo nel grafo. Un algoritmo per trovare un ciclo in un grafo richiede un numero di operazioni dell’ordine di n2, dove n è il numero di vertici del grafo. Sistemi Operativi

Grafo di allocazione risorse e grafo di attesa Grafo di allocazione delle risorse Corrispondente grafo di attesa Sistemi Operativi

Più istanze di ciascun tipo di risorsa Available: vettore di lunghezza m, indica il numero di risorse disponibili di ciascun tipo. Allocation: matrice n x m, definisce il numero di risorse di ciascun tipo correntemente allocate a ciascun processo. Request: matrice n x m, indica la richiesta corrente di ciascun processo. Se Request [i,j] = k, allora il processo Pi richiede k istanze supplementari della risorsa Rj. Sistemi Operativi

Algoritmo di rilevamento 1. Siano Work e Finish due vettori di lunghezza m e n, rispettivamente Inizializzazione: (a) Work := Available (b) Per i = 1,2, …, n, se Allocationi  0, allora Finish[i] := false; altrimenti, Finish[i] := true. 2. Si trovi un indice i tale che valgano entrambe le condizioni: (a) Finish[i] = false (b) Requesti  Work. Se non esiste un tale i vai al passo 4. Sistemi Operativi

Algoritmo di rilevamento 3. Work := Work + Allocationi Finish[i] := true vai al passo 2. 4. Se Finish[i] = false, per qualche i, 1  i  n, allora il sistema è in uno stato di deadlock. Inoltre, se Finish[i] = false, allora Pi è in deadlock. L’algoritmo richiede un numero di operazioni dell’ordine di m x n2 per determinare se il sistema è in uno stato di deadlock. Sistemi Operativi

Esempio di algoritmo di rilevamento Cinque processi, da P0 a P4; tre tipi di risorse A (7 istanze), B (2 istanze), e C (6 istanze). Stato al tempo T0: Allocation Request Available A B C A B C A B C P0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 P1 2 0 0 2 0 2 P2 3 0 3 0 0 0 P3 2 1 1 1 0 0 P4 0 0 2 0 0 2 La sequenza <P0, P2, P3, P1, P4> porta a Finish[i] = true per tutti gli i. Sistemi Operativi

Esempio P2 richiede un’istanza supplementare della risorsa C. Request A B C P0 0 0 0 P1 2 0 2 P2 0 0 1 P3 1 0 0 P4 0 0 2 Stato del sistema? Può reclamare risorse possedute dal processo P0, ma il numero di risorse disponibili non è sufficiente a soddisfare gli altri processi  deadlock: processi P1, P2, P3, e P4. Sistemi Operativi

Impiego dell’algoritmo di rilevamento Quando e quanto spesso chiamare l’algoritmo di rilevamento dipende da: Frequenza (presunta) con la quale si verifica un deadlock Numero di processi che vengono eventualmente influenzati da tale deadlock Se l’algoritmo viene richiamato in momenti arbitrari ci possono essere vari cicli nel grafo delle risorse e quindi non si può dire quale dei processi coinvolti nel ciclo abbia causato il deadlock. Un’alternativa è quella di richiamare l’algoritmo ogni volta che una richiesta non può essere soddisfatta immediatamente. Questo approccio può essere dispendioso. Sistemi Operativi

Ripristino dai deadlock: Terminazione di processi Terminazione in abort di tutti i processi in deadlock. Terminare un processo alla volta fino all’eliminazione del ciclo di deadlock. In quale ordine si decide di terminare i processi? La priorità del processo. Il tempo di computazione trascorso e il tempo ancora necessario al suo completamento. Quantità e tipo di risorse impiegate. Risorse di cui ha ancora bisogno per terminare l’esecuzione. Numero di processi che devono essere terminati. Tipo di processo: interattivo o batch? Sistemi Operativi

Prelazione di risorse Selezione di una vittima – È necessario stabilire l’ordine di prelazione per minimizzare i costi. Rollback – Un processo a cui sia stata prelazionata una risorsa deve ritornare ad uno stato sicuro, da cui ripartire. Starvation – Alcuni processi possono essere sempre vittime della prelazione. Si può includere il numero di rollback nel fattore di costo. Sistemi Operativi

Approccio combinato Si combinano i tre approcci di base prevenzione evitare i deadlock rilevazione permettendo l’uso dell’approccio ottimale per ciascuna risorsa del sistema. Si suddividono le risorse in classi gerarchicamente ordinate. Si impiegano le tecniche più appropriate per gestire i deadlock in ciascuna classe. Sistemi Operativi