SOI Deadlock

8/6/2019 SOI Deadlock

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SistemasSistemas

Operacionais IOperacionais I

Maria Clicia Stelling de CastroMaria Clicia Stelling de Castro

2006/1


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Deadlocks


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Deadlocks ProblemaProblema

Modelo do SistemaModelo do Sistema

CaracterizaoCaracterizao

Mtodos para ManipulaoMtodos para Manipulao

PrevenoPreveno

EvitarEvitar

DetecoDeteco

RecuperaoRecuperao


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Objetivos

Devenvolver uma descrio deDevenvolver uma descrio de deadlocksdeadlocks,,

os quais impedem que conjuntos de processosos quais impedem que conjuntos de processosconcorrentes completem suas tarefasconcorrentes completem suas tarefas

Apresentar diferentes mtodos para prevenir ouApresentar diferentes mtodos para prevenir ou

evitarevitardeadlocksdeadlocks em um sistema computacionalem um sistema computacional


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O Problema de Deadlocks Conjunto de processos bloqueados cada um mantendoConjunto de processos bloqueados cada um mantendo

um recurso e esperando para adquirir um recurso,um recurso e esperando para adquirir um recurso,mantido por um outro processo no conjuntomantido por um outro processo no conjunto

ExemploExemplo:: Sistema com 2Sistema com 2 disk drivesdisk drives

PP11 eePP22 cada um mantendo umcada um mantendo um disk drivedisk drive e cada ume cada umnecessitando de um outronecessitando de um outro

ExemploExemplo: semforos: semforos AA ee BB, iniciados com 1, iniciados com 1

PP00 PP11wait (A);wait (A); wait(B)wait(B)

wait (B);wait (B); wait(A)wait(A)


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Ex

emplo para Atravessar uma Ponte

Trfego somente em uma direoTrfego somente em uma direo

Cada seo da ponte pode ser vista como um recursoCada seo da ponte pode ser vista como um recurso

Se ocorreSe ocorre deadlockdeadlock, pode ser resolvido se um carro, pode ser resolvido se um carrovoltar (voltar (preempo de recursospreempo de recursos ee rollbackrollback))

Diversos carros podem ter que voltar se ocorreDiversos carros podem ter que voltar se ocorredeadlockdeadlock

Pode causarPode causarstarvationstarvation


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Modelo do Sistema

Tipos de recursosTipos de recursos RR11,, RR22, . . .,, . . ., RRmm

CPU cycles, memory space, I/O devicesCPU cycles, memory space, I/O devices

Cada tipo de recursoCada tipo de recurso RRii temtem WWii instnciasinstncias

Cada processo utiliza um recurso daCada processo utiliza um recurso da

seguinte forma:seguinte forma:

pedidopedido

usouso

liberaoliberao


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Caracterizao de DeadlockDeadlockDeadlockocorre se e somente se quatroocorre se e somente se quatro

condies se mantiverem simultaneamentecondies se mantiverem simultaneamente

Mutual exclusionMutual exclusion:: somente um processo desomente um processo de

cada vez pode usar um recursocada vez pode usar um recurso

Hold and waitHold and wait:: um processo mantendo peloum processo mantendo pelo

menos um recurso e est esperando paramenos um recurso e est esperando para

adquirir recursos adicionais mantidos poradquirir recursos adicionais mantidos por

outros processosoutros processos


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Caracterizao de Deadlock

No preemptionNo preemption:: um recurso s pode ser liberadoum recurso s pode ser liberadovoluntariamente pelo processo que o mantm, apsvoluntariamente pelo processo que o mantm, apso processo completar a sua tarefao processo completar a sua tarefa

CircularwaitCircularwait:: existe um conjuntoexiste um conjunto {{PP00,,PP11, ,, ,PP00}}de processos esperando, tal quede processos esperando, tal que PP00 est esperandoest esperandopor um recurso que est atribudopor um recurso que est atribudo PP11,, PP11 estest

esperando por um recurso que est atribudo aesperando por um recurso que est atribudo aPP

22, ,, ,PPnn11 est esperando por um recurso que estest esperando por um recurso que est

atribudoatribudoPPnn, e, e

PPnn est esperando por um recurso que estest esperando por um recurso que est

atribudo aatribudo a PP00


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Grafo de Alocao de RecursosGrafoGrafo : um conjunto de vrtices: um conjunto de vrtices VVe um conjuntoe um conjunto

de arestasde arestas EE

VV est particionado em dois tipos:est particionado em dois tipos:

PP={={PP11,,PP22, ,, ,PPnn}},, o conjunto de todos os processoso conjunto de todos os processos

no sistemano sistema

RR ={={RR11,,RR22, ,, ,RRmm}}, o conjunto de todos os tipos de, o conjunto de todos os tipos derecursos no sistemarecursos no sistema

aresta de pedidoaresta de pedido aresta direcionadaaresta direcionada PP11pp RRjj

aresta de atribuioaresta de atribuio aresta direcionadaaresta direcionada RRjjpp PPii


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Grafo de Alocao de Recursos ProcessoProcesso

Tipo de recurso com 4 instnciasTipo de recurso com 4 instncias

PPiisolicita instncia desolicita instncia de RRjj

PPiiest mantendo uma instncia deest mantendo uma instncia de RRjj

Pi

Pi

Rj

Rj


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Exemplo de um Grafo de Alocao

de Recursos


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Grafo de Alocao de Recursos com

Deadlock


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Grafo de Alocao de Recursos com

Ciclo sem Deadlock


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Fatos Bsicos

GrafoGrafo

nono contm cicloscontm ciclos

no hno h deadlockdeadlock contm um ciclocontm um ciclo se houverse houver

somentesomente uma instnciauma instnciapor tipo de recurso,por tipo de recurso,

entoento ocorreocorre deadlockdeadlockdiversas instnciasdiversas instnciaspor tipo de recurso,por tipo de recurso,

entoentopode correrpode correrdeadlockdeadlock


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Mtodos de Manipulao de Deadlock

Garante que o sistemaGarante que o sistema nuncanunca entra num estadoentra num estado

dede deadlockdeadlock

Permite que o sistema entre num estado dePermite que o sistema entre num estado de

deadlockdeadlocke ento recuperae ento recupera

Ignora o problema e pretende queIgnora o problema e pretende que deadlocksdeadlocks

nunca ocorram no sistema; usado por muitosnunca ocorram no sistema; usado por muitossistemas operacionais, incluindo o UNIXsistemas operacionais, incluindo o UNIX


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Preveno de Deadlock

Mutual ExclusionMutual Exclusion

no necessria para recursosno necessria para recursos

compartilhveiscompartilhveis

deve se manter para recursos que no podemdeve se manter para recursos que no podemser compartilhadosser compartilhados


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Preveno de Deadlock

Hold and WaitHold and Wait deve guarantir que sempredeve guarantir que sempreque um processo solicite um recurso, ele noque um processo solicite um recurso, ele no

mantm qualquer outro recursomantm qualquer outro recurso Exige que os processos solicitem e sejamExige que os processos solicitem e sejam

alocados todos os seus recursos antes dealocados todos os seus recursos antes de

iniciar a execuo, ou permite que oiniciar a execuo, ou permite que oprocesso solicite recursos somente quandoprocesso solicite recursos somente quandono tenha nenhum outrono tenha nenhum outro

Baixa utilizao de recursos; possibilitaBaixa utilizao de recursos; possibilita

starvationstarvation


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Preveno de Deadlock

CircularWaitCircularWait

impe uma ordenao total de todos osimpe uma ordenao total de todos ostipos de recursostipos de recursos

requer que cada processo solicite recursosrequer que cada processo solicite recursos

em uma ordem crescente de enumeraoem uma ordem crescente de enumerao


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EvitarDeadlockRequer que o sistema tenha alguma informao

adicional disponvel apriori

Modelo mais simples e til requer que cadaModelo mais simples e til requer que cadaprocesso declare oprocesso declare o nmero mximonmero mximo de recursosde recursos

de cada tipo que pode precisarde cada tipo que pode precisar

Algoritmo deAlgoritmo de deadlockdeadlock--avoidanceavoidance examinaexaminadinamicamente odinamicamente o estado de alocao deestado de alocao de

recursosrecursospara garantir que nunca ocorra umpara garantir que nunca ocorra um

condio de espera circular (condio de espera circular (circularcircular--waitwait))


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EvitarDeadlock

Estado de alocao de recursosEstado de alocao de recursos definido definido

pelo nmero depelo nmero de recursos disponveis erecursos disponveis ealocadosalocados

demanda mxima dos processosdemanda mxima dos processos


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Estado Seguro Quando um processo solicita um recursoQuando um processo solicita um recurso

disponvel, o sistema deve decidir se com adisponvel, o sistema deve decidir se com a

alocao imediata deste recurso, o sistemaalocao imediata deste recurso, o sistema

permanece em umpermanece em um estado seguroestado seguro

O sistema est em umO sistema est em um estado seguroestado seguro se exite umase exite umaseqnciaseqncia de todos os processosde todos os processos

o sistema tal que para cadao sistema tal que para cada PPii, o recurso que, o recurso que PPiiainda pode solicitar e pode ser satisfeito pelosainda pode solicitar e pode ser satisfeito pelos

recursos correntemente disponveis + recursosrecursos correntemente disponveis + recursos

mantido por todos osmantido por todos os PPjj, com, com jj


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Estado Seguro

Isto :Isto :

SeSe PPiinecessita de recursos que no estonecessita de recursos que no esto

disponveis imediatamente, entodisponveis imediatamente, ento PPiipodepode

esperar at que todosesperar at que todos PPjj tenham teminadotenham teminado

QuandoQuando PPjj termina,termina, PPiipode obter os recursospode obter os recursos

necessrios, executar, retornar os recursosnecessrios, executar, retornar os recursosalocados e terminaralocados e terminar

QuandoQuando PPiitermina,termina, PPii+1+1pode obter seuspode obter seus

recursos necessrios, e assim por diante.recursos necessrios, e assim por diante.


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Fatos Bsicos

Se um sistema est numSe um sistema est num

estado seguroestado seguro

no ocorreno ocorre deadlocksdeadlocks estado inseguroestado inseguropode ocorrerpode ocorrerdeadlockdeadlock

EvitarEvitar garante que um sistemagarante que um sistema nuncanunca

entrar em umentrar em um estado inseguroestado inseguro


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Algoritmos Avoidance

nica instnica de um tipo de recurso usarnica instnica de um tipo de recurso usar

umum grafo de alocao de recursografo de alocao de recurso

Mltiplas instncias de um tipo de recursoMltiplas instncias de um tipo de recurso

oo bankers algorithmbankers algorithm


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Esquema do Grafo de Alocao de

Recursos Aresta de demanda (Aresta de demanda (claim edgeclaim edge)) PPiipp RRjj indica queindica que

processoprocesso PPjjpode solicitar o recursopode solicitar o recurso RRjj; representado; representadopor uma linha tracejadapor uma linha tracejada

CClaim edgelaim edge converte para aresta de pedido (converte para aresta de pedido (requestrequestedgeedge) quando um processo solicita um recurso) quando um processo solicita um recurso

Aresta de pedido converte para aresta de atribuioAresta de pedido converte para aresta de atribuio

((assign

men

t edgeassign

men

t edge) quando o recurso alocado ao) quando o recurso alocado aoprocessoprocesso

Quando um recurso liberado por um processo, aQuando um recurso liberado por um processo, aaresta de atribuio se converte para uma claim edgearesta de atribuio se converte para uma claim edge

Recursos devem ser declarados no sistemaRecursos devem ser declarados no sistema a prioria priori


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Grafo de Alocao de Recursos


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Grafo de Alocao de Recursos em

Estado Inseguro


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Algoritmo do Grafo de Alocao de

Recursos

Suponha que o processoSuponha que o processo PPiisolicite um recursosolicite um recurso RRjj

O pedido pode ser garantido somente se aO pedido pode ser garantido somente se aconverso da aresta de pedido (converso da aresta de pedido (request edgerequest edge))

para aresta de atribuio (para aresta de atribuio (assignment edgeassignment edge) no) no

resulta numa formao de um ciclo no grafo deresulta numa formao de um ciclo no grafo dealocao de recursosalocao de recursos


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Bankers Algorithm

Mtiplas instnciasMtiplas instncias

Cada processo deve aCada processo deve aprioripriori declarar a suadeclarar a sua

demanda de uso mximademanda de uso mxima Quando um processo solicita um recurso ele podeQuando um processo solicita um recurso ele pode

ter que esperarter que esperar

Quando um processo consegue todos os seusQuando um processo consegue todos os seusrecursos, ele deve liberrecursos, ele deve liber--los numa quantidade delos numa quantidade de

tempo finitatempo finita


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Estrutura de Dados: Bankers Algorithm

AvailableAvailable:: Vetor de tamanhoVetor de tamanho mm. Se. Se AvailableAvailable[[jj]=]=kk, existem, existem kkinstncias dos recursos doinstncias dos recursos do

tipotipo RRjj disponveisdisponveis MaxMax::matrizmatriz n x mn x m. Se. Se MaxMax[[i,ji,j]=]=kk, ento, ento

processoprocesso PPiipode pedir atpode pedir at kkinstncias doinstncias do

recurso do tiporecurso do tipo RRjj

Suponha

n = nmero de processos,

m = nmero de tipos de recursos


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Estrutura de Dados: Bankers Algorithm

AllocationAllocation::matrizmatriz nn xx mm. Se. Se Allocation[i,j]=Allocation[i,j]=

kkentoento PPiiest alocandoest alocando kkinstncias deinstncias de RR

jj

NeedNeed::matrizmatriz nn xx mm. Se. SeNeedNeed[[i,ji,j]=]= kk, ento, ento PPiipode necessitar de maispode necessitar de mais kkinstncias deinstncias de RRjjparapara

terminar sua tarefaterminar sua tarefa

Need [i,j]= Max[i,j]Need [i,j]= Max[i,j]Allocation [i,j]Allocation [i,j]


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Algoritmo Seguro

1.1. DeixeDeixe WorkWorkee FinishFinish serem vetores de tamanhoserem vetores de tamanho mmee nn, respectivamente. Inicie:, respectivamente. Inicie:

WorkWork==AvailableAvailable

FinishFinish [[ii]=]=falsefalse forfor ii=0, 1, ,=0, 1, ,nn-- 11

2.2. Encontre umEncontre um ii tal que ambos:tal que ambos:

(a)(a)FinishFinish [[ii]=]=falsefalse

(b)(b)NeedNeediieeWorkWork

Se no existe talSe no existe tal ii, v para o passo 4, v para o passo 4

3.3. WorkWork==WorkWork++AllocationAllocationiiFinishFinish[[ii]=]= truetruev para o passo 2v para o passo 2

4.4. SeSe FinishFinish [[ii]== true]== true tara todotara todo ii, ento o sistema, ento o sistema

est em umest em um estado seguroestado seguro


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Algoritmo de Pedido de Recurso

por Processo Pi

RequestRequest= vetor de pedido para o processo= vetor de pedido para o processoPPii. If. IfRequestRequestii[[jj]=]=kkento processoento processo PPiiquerquerkkinstnciasinstncias

do recurso de tipodo recurso de tipo RRjj1.1.SeSe RequestRequestiiee NeedNeediiv para o passo 2. Casov para o passo 2. Caso

contrrio, raise error condio de erro, uma vez quecontrrio, raise error condio de erro, uma vez queo processo excedeu sua demanda mximao processo excedeu sua demanda mxima

2.2.SeSe RequestRequestiiee AvailableAvailable, v para o passo 3. Caso, v para o passo 3. CasocontrriocontrrioPPii deve esperar, uma vez que os recursosdeve esperar, uma vez que os recursosno esto disponveisno esto disponveis


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Algoritmo de Pedido de Recurso

por Processo Pi

3.3.Pretende alocar recursos pedidos paraPretende alocar recursos pedidos paraPPiimodificando o estado da seguinte forma:modificando o estado da seguinte forma:

AvailableAvailable ==AvailableAvailable Request;Request;AllocationAllocationii==AllocationAllocationii++RequestRequestii;;

NeedNeedii== NeedNeediiRequestRequestii;;

SeSesafesafe os recursos so alocadosos recursos so alocados aa PPiiSeSe unsafeunsafe PPii deve esperar e o estado dedeve esperar e o estado de

alocao antigo restauradoalocao antigo restaurado


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Exemplo do Algoritmo do Banqueiro

5 Processos5 Processos PP00 atat PP44;;3 tipos de recursos:3 tipos de recursos:

AA (10),(10), BB (5), e(5), e CC(7) instncias(7) instncias

SnapshotSnapshotdo tempodo tempo TT00::AllocationAllocation MaxMax AvailableAvailable

A B CA B C A B CA B C A B CA B C

PP00 0 1 00 1 0 7 5 37 5 3 3 3 23 3 2

PP11 200200 3 223 22

PP22

3 023 02 902902

PP33 2 1 12 1 1 222222

PP44 002002 4 3 34 3 3


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Exemplo do Algoritmo do Banqueiro

O contedo da matrizO contedo da matriz NeedNeed definido como definido comoMaxMaxAllocationAllocationNeedNeed

A B CA B C

PP00 74 374 3

PP11 1 221 22

PP22

600600

PP33 0 1 10 1 1PP44 4 3 14 3 1

O sistema est em um estado seguro, porque aO sistema est em um estado seguro, porque aseqnciaseqncia satisfais o critriosatisfais o critrio

de seguranade segurana


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Exemplo: Pisolicita (1,0,2)

Verfique queVerfique que RequestRequesteeAvailableAvailable(que ,(que , (1,0,2)(1,0,2)ee (3,3,2)(3,3,2) truetrue))

Allocation

Allocation NeedNeed

Available

Available


PP00 0 1 00 1 0 74 374 3 2 3 02 3 0

PP11 3 02

3 02

02

002

0PP

223 0 13 0 1 600600

PP33 2 1 12 1 1 0 1 10 1 1

PP44 002

002

4 3 14 3 1


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Exemplo: Pi

solicita (1,0,2)

Execuo do algoritmo de segurana mostraExecuo do algoritmo de segurana mostra

que a seqnciaque a seqncia satisfais asatisfais a

necessidade de segurananecessidade de segurana O pedido paraO pedido para (3,3,0)(3,3,0)pelopelo PP44pode serpode ser

garantido?garantido?

O pedido paraO pedido para (0,2,0)(0,2,0)pelopelo PP00pode serpode sergarantido?garantido?


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Deteco de Deadlock

Permite ao sistema entrar num estado dePermite ao sistema entrar num estado de

deadlockdeadlock

Algoritmo de DeteoAlgoritmo de Deteo

Esquema de RecuperaoEsquema de Recuperao


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nica Instncia para Cada Tipo de

Recurso

Mantm grafoMantm grafo waitwait--forfor

Ns so processosNs so processos

PPiipp PPjj sese PPiiest esperando porest esperando porPPjj

Periodicamente invoca um algoritmo que buscaPeriodicamente invoca um algoritmo que busca

por um ciclo no grafo. Se existe um ciclo, existepor um ciclo no grafo. Se existe um ciclo, existe

deadlockdeadlock

Um algoritmo para detectar um ciclo em um grafoUm algoritmo para detectar um ciclo em um grafo

requer operaes da ordem derequer operaes da ordem de nn22, onde, onde nn o o

nmero de vrtices no grafonmero de vrtices no grafo


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Grafo de Alocao de Recurso e

Grafo Wait-For

Resource-AllocationGraph Corresponding Wait-For Graph


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Diversas Instncias de um Tipo de

Recurso AvailableAvailable:: Um vetor de tamanhoUm vetor de tamanho mm indica oindica o

nmero de recursos disponveis de cada tiponmero de recursos disponveis de cada tipo

AllocationAllocation:: Uma matrizUma matriz nn xx mm define odefine onmero de recursos de cada tipo correntementenmero de recursos de cada tipo correntemente

alocado para cada processoalocado para cada processo

RequestRequest:: Uma matrizUma matriz nn xx mm indica o pedidoindica o pedidocorrente de cada processo. Secorrente de cada processo. Se RequestRequest[[iijj]=]=kk,,

ento o processoento o processo PPiiest pedindo maisest pedindo mais kk

instncias do tipo de recursoinstncias do tipo de recurso RRjj


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Algoritmo de Deteco

1.1.DeixeDeixe WorkWorkeeFinishFinish serem vetores de tamanhoserem vetores de tamanho mmee nn, respectivamente. Inicie:, respectivamente. Inicie:

(a)(a)WorkWork==AvailableAvailable(b)(b)ForFor ii= 1,2, ,= 1,2, , nn, if, ifAllocationAllocationii{{ 0, then0, then

FinishFinish[i]= false;otherwise,[i]= false;otherwise,FinishFinish[i]=[i]=truetrue

2.2.Encontre um ndiceEncontre um ndice ii tal que ambos:tal que ambos:(a)(a)FinishFinish[[ii]==]==falsefalse

(b)(b)RequestRequestiieeWorkWork

Se talSe tal iino existe, v para o passo 4no existe, v para o passo 4


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Algoritmo de Deteco

3.3.WorkWork==WorkWork++AllocationAllocationiiFinishFinish[[ii]=]=truetruev para o passo 2v para o passo 2

4.4.SeSe FinishFinish[[ii]==]==falsefalse, para algum, para algum ii,, 11 ee iiee nn,,ento o sistema est num estado deento o sistema est num estado de deadlockdeadlock..Alm disso, seAlm disso, se FinishFinish[[ii]==]==falsefalse, ento, ento PPiiestestemem deadlockdeadlock

Algoritmo requer operaes da ordem de

O(m x n2)para detectar se o sistema est em

estado de deadlocked


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Exemplo do Algoritmo de Deteco

5 processos5 processosPP00 atatPP44;; 3 tipo de recursos3 tipo de recursosA (7),A (7), BB(2), e(2), e CC(6) instncias(6) instncias SnapshotSnapshotno tempono tempo TT00::

AllocationAllocation RequestRequest AvailableAvailable


PP00 0 1 00 1 0 000000 000000

PP11 200200 202202

PP22 3 0 33 0 3 000000PP33 2 1 12 1 1 1 001 00

PP44 002002 002002

SeqnciaSeqncia resultar emresultar em

FinishFinish[[ii]= true]= truepara todopara todo ii


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PP22pede uma instncia adicional do tipopede uma instncia adicional do tipo CC

RequestRequest

AB CAB C

PP00 000000

PP11 20 120 1

PP22

00 100 1

PP33 1 001 00

PP44 002002


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Estado do sistema?Estado do sistema?

Pode demandar recurso mantido peloPode demandar recurso mantido pelo

processoprocesso PP00, mas recursos insuficientes se, mas recursos insuficientes seajustam a outros processos; pedidos.ajustam a outros processos; pedidos.

DeadlockDeadlockexiste, consistindo dos processosexiste, consistindo dos processos

PP11,, PP22,, PP33, e, e PP44


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Uso do Algoritmo de Deteco

Quando e quantas vezes, invocar depende de:Quando e quantas vezes, invocar depende de: Quantas vezes provvel que ocorraQuantas vezes provvel que ocorra deadlockdeadlock?? Quantos processos necessitaro ter a suaQuantos processos necessitaro ter a sua

execuo retornada para determinado pontoexecuo retornada para determinado ponto((rolledrolled backback)?)?

um por cada ciclo disjuntoum por cada ciclo disjunto

Se o algoritmo de deteco invocadoSe o algoritmo de deteco invocadoarbitrariamente, pode haver muitos ciclos no grafoarbitrariamente, pode haver muitos ciclos no grafode recursos e ento no seriam capazes de dizerde recursos e ento no seriam capazes de dizerquais dos muitos processos emquais dos muitos processos em deadlockdeadlockcausaramcausaram

oo deadlockdeadlock


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Recuperao de Deadlock:

Preempo de Recursos

Seleo de uma vtimaSeleo de uma vtima minimiza o custominimiza o custo

RollbackRollback returna para algum estado seguro,returna para algum estado seguro,

reinicia processo naquele estadoreinicia processo naquele estado

StarvationStarvation algum processo pode sempre seralgum processo pode sempre ser

escolhido como vtima, incluir nmero deescolhido como vtima, incluir nmero de

rollbacksrollbacks no fator de custono fator de custo

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SOI Deadlock