Взаимная блокировка

Взаимная блокировка двух процессов P1 и P2 нуждающихся в двух ресурсах.

Взаи́мная блокиро́вка (англ. deadlock) — ситуация в многозадачной среде или СУБД, при которой несколько процессов находятся в состоянии бесконечного ожидания ресурсов, занятых самими этими процессами.

Простейший пример взаимной блокировки

Шаг	Процесс 1	Процесс 2
0	Хочет захватить A и B, начинает с A	Хочет захватить A и B, начинает с B
1	Захватывает ресурс A	Захватывает ресурс B
2	Ожидает освобождения ресурса B	Ожидает освобождения ресурса A
3	Взаимная блокировка

Отладка взаимных блокировок, как и других ошибок синхронизации, усложняется тем, что для их возникновения нужны специфические условия одновременного выполнения нескольких процессов (в вышеописанном примере если бы процесс 1 успел захватить ресурс B до процесса 2, то ошибка не произошла бы).

Livelock

Это слово означает такую ситуацию: система не «застревает» (как в обычной взаимной блокировке), а занимается бесполезной работой, её состояние постоянно меняется — но, тем не менее, она «зациклилась», не производит никакой полезной работы.

Жизненный пример такой ситуации: двое встречаются лицом к лицу. Каждый из них пытается посторониться, но они не расходятся, а несколько секунд сдвигаются в одну и ту же сторону.

Обнаружение взаимных блокировок

Поиск взаимных блокировок осуществляется путем построения и анализа графа ожидания. В графе ожидания узлами отмечаются процессы и объекты. Блокировки отмечаются рёбрами, направленными от узла, соответствующего захваченному объекту, к узлу, соответствующему захватившему его процессу. Ожидания отмечаются рёбрами, направленными от узла, соответствующего ожидающему процессу, к узлу, соответствующему ожидаемому объекту.

Цикл в графе ожидания соответствует взаимной блокировке. Существует специальный алгоритм поиска циклов в графе .

Существуют алгоритмы удаления взаимной блокировки. В то же время, выполнение алгоритмов поиска удаления взаимных блокировок может привести к livelock — взаимная блокировка образуется, сбрасывается, снова образуется, снова сбрасывается и так далее.

Кроме того, эти алгоритмы реализуются менеджером ресурсов — программой, отвечающей за блокировку и разблокировку. Если же часть занятых в блокировке ресурсов распределяется кем-то другим, обнаружение взаимной блокировки невозможно. К примеру, СУБД Oracle обнаруживает взаимную блокировку запросов к её базам данных, но если в приведенном примере объекты — это поле базы и, к примеру, файл на жестком диске, взаимная блокировка обнаружена не будет — СУБД этот файл не обрабатывает и для неё взаимной блокировки нет.

Практически об устранении взаимных блокировок надо заботиться ещё на этапе проектирования системы — это единственный более-менее надежный способ с ними бороться. В крайнем случае, когда основная концепция не допускает возможности избежать взаимных блокировок, следует хотя бы строить все запросы ресурсов так, чтобы такие блокировки безболезненно снимались.

Предотвращение взаимной блокировки

Классический способ борьбы с проблемой — разработка иерархии блокировок, установление правила, что некоторые блокировки никогда не могут захватываться в состоянии, в котором уже захвачены какие-то другие блокировки. Говоря точно, речь о разработке отношения сравнения между блокировками, и о запрете захвата «большей» блокировки в состоянии, когда уже захвачена «меньшая».

В некоторых случаях, особенно в поделенных на модули архитектурах, это является проблемой. Так, например, в межмодульном интерфейсе приходится вводить вызовы, которые не делают ничего, кроме захвата и освобождения неких блокировок в модуле. Такой подход используется в файловых системах Windows в интерфейсе их взаимодействия с подсистемами кэша и виртуальной памяти.

В файловой системе существуют блокировки, «защищающие» переменные «размер файла» и «длина реально записанных данных в файле». В некоторых случаях возможно исполнение ввода/вывода на диск с удержанием этих блокировок.

Исполнение же ввода/вывода, в том числе построение запросов ввода/вывода, требует взятия блокировок низкого уровня уже в подсистеме виртуальной памяти, и следующий за этим вызов в файловую систему.

Для реализации этого шаблона файловая система предоставляет подсистеме виртуальной памяти вызовы, специально предназначенные для захвата блокировок.

Есть способы избежания данной проблемы:

1. Не бери ложку, если не положил вилку
2. Бери ложку и вилку сразу (WaitForMultipleObjects)

Для того чтобы избежать взаимной блокировки можно использовать специальные алгоритмы.

См. также

• Состояние гонки

Ссылки

• Deadlock Detection Agents
• Paper «Deadlock Detection in Distributed Object Systems» by Nima Kaveh and Wolfgang Emmerich
• Article «Distributed Deadlock Detection» by JoAnne L. Holliday and Amr El Abbadi
• Article «Deadlock detection in distributed databases» by Edgar Knapp
• Article «Advanced Synchronization in Java Threads» by Scott Oaks and Henry Wong
• Paper «Confirmation of Deadlock Potentials Detected by Runtime Analysis» by Saddek Bensalem, Jean-Claude Fernandez, Klaus Havelund and Laurent Mounier
• Coffman, E.G., M.J. Elphick, and A. Shoshani, System Deadlocks, ACM Computing Surveys, 3, 2, 67-78 (1971).
• Paper Eliminating Receive Livelock in an Interrupt-driven Kernel by Jeffrey C. Mogul, K. K. Ramakrishnan
• DeadLock at the Portland Pattern Repository
• Etymology of «Deadlock»
• ARCS — A Web Service approach to alleviating deadlock
• Взаимные блокировки Oracle

Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей.