CHAPITRE II – L’INTERBLOCAGE (DEADLOOKS II 2 Interblocage 3 diapo.pdf · des matrices...

Faculté des Sciences de GabesDépartement d’informatique

10/10/2016

Cours Système d'exploitation 1

10/10/2016 1Khaled Hassine

[email protected]

Par :

Khaled Hassine

CCHAPITREHAPITRE IIII ––L’L’INTERBLOCAGEINTERBLOCAGE

((DDEADLOOKSEADLOOKS))


Esquive des interblocages

Prévention des interblocages

Généralités

Détection et guérison

PLAN

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Modélisation de l’interblocage

Khaled Hassine


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Généralités


PLAN

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Khaled Hassine

Interblocage : définition

Besoin au niveau d’un SE de partager l’accès àdes ressources (mémoire, UC, périphériques,…)

Un ensemble de processus est en interblocage sichaque processus attend un évènement que seulun autre processus de l'ensemble peut engendrer.

Le terme interblocage est quelquefois remplacépar les expressions poétiques "verrou mortel"(en anglais deadlock), "étreinte fatale", …

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Exemple

Deux processus P1 et P2 utilisent deux ressources R1et R2 P1 possède R1 et demande R2

P2 possède R2 et demande R1

C’est une situation d’interblocage.


P1 P2

R1

R2


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Ressources

En SE, lorsqu'un processus demande uneressource et que cette dernière n'est pasdisponible, des états sont définis (bloqué,suspendu bloqué, etc.).

En pratique : plusieurs processus peuvent être demandeurs de

la même ressource, chacun de ces processus peut demander plus

d'une ressource.


Ressources : définition

Dans le cas qui nous préoccupe (les deadlocks), nouspouvons définir une ressource comme tout ce qui nepeut être accédé que par un seul processus à la fois.

Ceci correspond aux : périphériques matériels (lecteur de disquette, imprimante,

etc.), informations (par exemple, un enregistrement dans une

base de donnée, une variable partagée, etc),

et dont l'OS peut avoir à gérer en plusieurs exemplaires(par exemple, plusieurs imprimantes).


Deux types de ressources

Ressource préemptive ou encoreréquisitionnable (préemptive ressource) : peut être retirée au processus qui la détient sans

risque. Exemple : la mémoire.

Ressource non-préemptive ou encore nonréquisitionnable (non préemptive ressource) : le fait de retirer cette ressource au processus qui la

détient provoque des problèmes. Exemple : l'imprimante.



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Problématique

Les problèmes d’accès concurrent à ces ressourcespeuvent être résolus par des stratégies desynchronisation faisant appel par exemple à dessémaphores.

Autrement dit, il est possible d’empêcher que deuxprocessus accèdent en même temps à une ressource.

Même la meilleure technique de synchronisation nepeut toutefois garantir que chaque processus pourraaccéder aux ressources dont il a besoin et que desprocessus ne resteront pas éternellement bloqués enattente.


Exemple 1 : Rond pointavec priorité à droite

Les interblocages sont dessituations assez courantesdans la vie quotidienne.

Le meilleur exemple estcelui du rond point avecpriorité à droite.

Si 4 routes arrivent à ce rondpoint et s'il y a quatrevéhicules, aucun ne peuts'engager sur le rond pointpuisque chaque véhiculepossède à sa droite un voisin


Exemple 2 : le spooling massif

Un processus P veut imprimer des données.Comme le système utilise un spool (une filed’attente), le processus envoie ses données sur undisque (buffer) et le périphérique (imprimante)attend que toutes les données soient sur le disquepour imprimer.

Mais si le buffer est plein avant que le processusait envoyé toutes ses données, le processus vaattendre et l'imprimante, de son côté, attend aussi.



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Exemple 2 : le spoolingmassif




Généralités


PLAN

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Khaled Hassine

Outils de modélisation

L'étude de l'interblocage dans un systèmeimpose la représentation de l'état desprocessus et des ressources.

Ceci peut se faire en utilisant un graphe d'allocation des ressources ou

des matrices d'allocation des ressources.



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Modélisation del’interblocage

Graphe d’allocation des ressourcesMatrice d’allocation des ressourcesConditions de Coffman


Graphe d'allocation des ressources

Les graphes d'allocation de ressources permettent demodéliser simplement les problèmes d'interblocage par ungraphe : G = (N, T) N = P U RAvec : P : ensemble des processus R : ensemble des ressources T RxP U PxR

Soit (x, y) T. si (x, y) RxP la ressource x est utilisée par le processus y si (x, y) PxR le processus x demande la ressource y.


Conventions de représentation

Un processus est représenté par un cercle Une ressource est représentée par un

rectangle Un arc d’une instance de R vers un processus

P l’instance est détenue par le processus P. Un arc d’un processus P vers une ressource R P est bloqué en attente d’une instance de laressource R.



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Instances indifférentiables

S’il existe plusieurs instances indifférentiableson les représente dans la même boite. Indifférentiables : lorsqu’un processus n’a pas à

choisir une instance particulière de cette ressourceplutôt qu’une autre, il prend la première disponible.

Toutes les instances sont alors équivalentes. Dés lors qu’un processus doit choisir une instance

plutôt qu’une autre, elles sont différentiables eton les modélise alors comme des instances deressources différentes.


Exemple


P1

P2

P3

Rb

RaRc

P1 détient une ressource de classe RbP1 demande une ressource de classe Ra

Pas d’interblocage

Exemple


P1

P2

P3

Rb

RaRc

Interblocage


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Etat du système

Soit un système disposant d’instances de différentes ressources. A tout instant donné, l’état de chaque processus présent dans le

système va être partiellement décrit par : Nb_Max : le nombre maximum d’instances des ressources dont il a besoin pour

terminer son exécution (donnée sur les processus) Nb_Détenue : le nombre d’instances de chaque type de ressource qu’il détient

(montre l’évolution du système) Nb_Requis : le nombre d’instances de ressources qu’il doit encore obtenir

(déduite).

Pour avoir une image complète de l’état du système, il faut encorepréciser : Nb_total : le nombre total d’instances de chaque ressource dans le système

(donnée sur les ressources), Nb_disponible : le nombre d’instances disponibles de chaque ressource (déduite).


Exemple de Matrice d’allocationdes ressources aux processus

Nb_Détenue Nb_Max Nb_Requis

Ra Rb Rc Rd Ra Rb Rc Rd Ra Rb Rc Rd

P1 0 5 1 0 P1 0 10 3 2 P1 0 5 2 2

P2 4 3 5 4 P2 5 5 5 5 P2 1 2 0 1

P3 0 0 0 1 P3 4 5 3 5 P3 4 5 3 4

P4 2 2 2 2 P4 3 2 2 2 P4 1 0 0 0

P5 3 2 1 1 P5 3 3 1 3 P5 0 1 0 2


Nb_total Nb_disponible

Ra Rb Rc Rd Ra Rb Rc Rd

10 13 9 11 1 1 0 3


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Etats possibles d’un système On considère qu’un système informatique peut être dans l'un des

états suivants : Etat d’interblocage ou un ensemble de processus reste indéfiniment

bloqués. Etat risqué (unsafe state, incertain dit aussi NON SAIN) : à partir

duquel l’interblocage est inévitable. Etat sûr (safe state, SAIN) : à partir duquel il existe au moins une

séquence d’allocation des ressources au processus qui permet d’éviterl’interblocage et terminer leurs travaux dans un temps garanti commefini.

Afin d’éviter l’interblocage, il suffit donc, lorsque un processusprésente au système une demande d’allocation de ressources, devérifier si le nouvel état obtenu serait un état risqué. Si c’est le cas ilfaut refuser la demande sinon le processus obtient la ressource.


Les conditions de Coffman (1971)

Quatre (4) conditions qui doivent être vérifiéessimultanément pour qu’un interblocage seproduise.

Si une seule des conditions n'est pas remplie,l'interblocage peut être évité .



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Les 4 conditions de Coffman(1971)

1) L'exclusion mutuelle (mutual exclusion condition) : Il doit exister au moinsdeux ressources qui ne sont pas partageables. Chaque ressource est soitassignée à un seul processus, soit libre. Les processus demandent le contrôleexclusif des ressources qu'ils demandent.

2) La détention et l'attente (hold and wait condition) : Les processus quidétiennent des ressources peuvent en demander d'autres. Il existe donc au moinsun processus qui détient au moins une ressource et attend des ressources détenuspar d’autres processus.

3) Pas de réquisition (non preemption condition) : Les ressources obtenues par unprocessus ne peuvent lui être retirées, c'est le processus qui les détient qui doitexplicitement les libérer. Un processus ne peut pas être forcé par un autreprocessus à relâcher des ressources déjà acquises. Des ressources ne peuvent êtreenlevées à des processus qui les détiennent tant qu'elles ne sont pascomplètement utilisées.

4) L'attente circulaire (circular wait condition) : Il doit y exister une chaînecirculaire d’au moins deux processus dont chacun attend une ressource détenuepar le membre suivant de la chaîne.




Généralités


PLAN

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Khaled Hassine

Feux de circulation Rajouter des feux de

circulation Dans les conditions de

Coffman, si une seule des4 conditions n'est pasvérifiée nous évitonsl'interblocage.

Les stratégies suivantespermettent chacuned'éviter le deadlock ensupprimant le risqued'apparition d'une des 4conditions.



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Condition d'exclusion mutuelle

Attacking the mutual exclusion condition

Empêcher qu'une ressource soit attribuée demanière exclusive à un processus

La condition d'exclusion mutuelle n'est doncpas remplie et nous évitons ainsi le deadlock.

Solution possible : utiliser un spooler (filed’attente).


Exemple : impression via spooler

Déplacer le problème en amont pour éviter le deadlock. Forcer la demande de la ressource via un spooler.

Utilise des files d'attentes N'est pas exclusif La ressource en aval est accédée de manière séquentielle.

Problème : Le spooler utilise le disque dur pour stocker les files

d'attentes, blocage si l'espace disque est insuffisant.


Condition de détention et d'attente

Attacking the hold and wait condition Idée de base : l'acquisition des ressources en

"tout ou rien": demander toutes les ressources dont on a besoin en

une seule fois doit attendre en cas d’impossibilité de les obtenir

Ce type de procédure peut être valable dans le casd'un batch (traitement par lots) qui liste toutes lesressources nécessaires en début de job.



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Inconvénients

Il est généralement impossible de prédire lesressources effectivement utilisées.

Un processus risque d'attendre longtemps avantd'obtenir ses ressources.

Il peut y avoir un gaspillage (gâchis) éventuel deressources (quelques unes très utilisées, les autrespeu utilisées mais mobilisées).

Solution possible : le découpage d'un processusen sous processus.


Condition de non réquisition

Attacking the non preemption condition Difficilement contournable :

Certaines ressources ne supportent pas la préemption. Une préemption sur une impression !!! recommencer

entièrement le processus. Solution possible :

Si un processus détient certaines ressources et si on luirefuse une ressource supplémentaire, il doit libérer lesressources détenus.

Inconvénient : le risque de faire attendre longtempscertains processus.


Condition d'attente circulaire

Attacking the circular wait condition

Solution possible : numérotation des ressources Permet de briser la condition d'attente circulaire.

Les processus peuvent demander toutes les ressourcesdont ils ont besoin, à condition de respecter l'ordrecroissant de la numérotation des ressources.

Si un processus détient des ressources d'un typedonné, il ne peut demander que des ressources dont lesnuméros sont plus élevés.



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Numérotation desressources


ProcessusProcessus

R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7

Non

Oui

Numéro



Généralités


PLAN

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Khaled Hassine

Principe de l'évitement (deadlockavoidance)

Constatation :

Généralement, un processus ne demande pas la totalité des

ressources dont il a besoin.

Les ressources sont demandées une à la fois.

Problème : chercher un algorithme qui permet de déterminer quelle

ressource accorder à quel processus pour éviter l'interblocage

La représentation graphique ne fournit pas directement un

algorithme utilisable. Elle nous permet quand même de déterminer

des régions sûres et d'autres qui peuvent mener à un deadlock.



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Principe de l’algorithme

Utiliser les matrices pour détecter les deadlocks. Permet de déterminer qu'il existe pour un instant

donné un état courant sûr : Il n'est pas en deadlock, Il est possible de satisfaire toutes les demandes de

ressources en exécutant les processus dans un certainordre.

Cet ordre est très important, car un mauvais choix audépart peut mener à un deadlock.


L'algorithme du "banquier"(Dijkstra - 1965)

N Processus et R types de ressources identiques. Les règles de l'algorithme :

Chaque processus indique à l'avance le nombre maximum deressources dont il a besoin .

Le système d'exploitation accepte une demande si celle-ci nedépasse pas R.

Un processus peut acquérir ou libérer les ressources une parune .

Une attente est possible, mais elle doit rester finie. L'algorithme du banquier consiste à allouer les ressources

(d'après les règles précédentes) de manière à passer d'unétat sain à un autre état sain.


Exemple 1 : Etat sein

Allocation courante Maximum demandé

P(1) 1 4

P(2) 4 6

P(3) 5 8

Disponible 2


Scénario qui mène à la terminaison de tous les processus :1. On donne 2 ressources à P(2), il peut finir et il libère alors 6

ressources.2. On en prend 3 que l'on donne à P(1) qui peut alors finir et

libérer ainsi 4 ressources, total disponible 7.3. On prend 3 autres ressources pour P(3) qui peut alors finir.


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Exemple 2 : Etat non sein

Allocation courante Maximum demandé

P(1) 8 10

P(2) 2 5

P(3) 1 3

Disponible 1


L'unique ressource disponible ne suffit pas à contenter n'importelequel des processus

Exemple 3

Un état sain peut devenir non sain parmauvaise allocation des ressources


Allocation

courante

Maximum

demandé

P(1) 1 4

P(2) 4 6

P(3) 5 8

Disponible 2

Allocation

courante

Maximum

demandé

P(1) 2 4

P(2) 4 6

P(3) 5 8

Disponible 1

P(1)acquiert

1 ressource

L'algorithme du banquier Les données sont :

L : La liste de tous les processus bloqués. N : Le nombre de processus bloqué (cardinal de L). R : Nombre de types de ressources dans le système. Nb_Détenue : Nombre de ressources détenues par chaque processus. Nb_Max : Nombre maximum de ressources nécessaires pour chaque processus. Nb_Total : Nombre total d'instances de chaque ressource au niveau du système.

Les sorties sont : Etat : Etat du système (interblocage, risqué : incertain, sûr) Scénario : La séquence des processus dans l'ordre d'allocation des ressources qui permet la

terminaison de tous les processus de la liste bloquée (si elle existe).

Les variables internes : Nb_Requis : Nombre de ressources requis pour chaque processus (Nb_Max – Nb_Détenue). Nb_Disponible : Nombre d'instances de chaque ressource actuellement disponible au niveau du système

On représentera les états : sûr par 0, incertain par 1, interblocage par 2. Scénario : donne la séquence de processus pour avoir un état sûr.



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Algorithme du banquier

Action Banquier (Données : N, R : entier, L : [N]Entier, Nb_DétenueNb_Max: [N][R]entier, Nb_Total: [R]entier, Résultat : Etat : entier,Scénario : [N]entier)

VariablesNb_Requis : [N][R]entierNb_Disponible : [R]entier;k : entier;

DébutNb_Requis (NB_Max – NB_Détenue)Nb_Disponible Nb_Total - des instances requis par chaqueprocessus {somme de chaque colonne de Nb_Détenu}k 0



RépéterChercher (L, N, Nb_Disponible, Nb_Requis, P, Existe)Si Existe

AlorsEliminer (P, L, N)N N-1Nb_Disponible Nb_Disponible + Nb_Détenue[P]Sénario[k] Pk k+1

FinSiJusqu'à (Not Existe) Or (L=)



Si L=Alors état sûrSinon

Si (k=0) si L est resté inchangéAlors

Etat InterblocageSinon

Etat incertainFinSi

FinSiFin



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Action Chercher

Cherche parmi tous le processus de L s’il y a unprocessus P dont les besoins peuvent êtresatisfaits (le nombre d’instances de ressourcesrequises ≤ au nombre d’instances de ressourcesdisponibles) …

S’il existe plusieurs choix, c'est-à-dire plusieursprocessus dont les besoins peuvent être satisfaits,peu importe le choix qu'on fait puisqu'il peut êtrealéatoire.


Heuristiques de choix

Le choix peut être amélioré par des heuristiquespermettant d'améliorer le temps de réponse du système.

On peut définir les heuristiques suivantes : Le processus ayant le plus grand nombre de ressources

détenues. Ceci permet de disposer de plus de ressources après lafin de ce processus et par conséquent permet de débloquer plusde processus plus tard et améliorer le temps de réponse dusystème.

Le processus ayant le plus petit nombre de ressourcesrequises. Ceci permet de laisser un nombre plus important deressources et permettant ainsi de débloquer plus de processus enparallèle et par conséquent améliorer le temps de réponse dusystème.


Action Chercher

Les données de l'action Chercher sont : L : Liste des descripteurs des processus bloqués, N : entier qui indique Nombre de processus bloqués, Nb_Disponible, Nb_Requis : Matrice d'entier de taille

NxR,

Les résultats de l'action Chercher sont : P : Entier indiquant le numéro du processus dont les

besoins peuvent être satisfaits, Existe : Booléen



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L’action ChercherChercher (Données : N : entier

L : [N]Entier,Nb_Disponible, Nb_Requis :[N][R]entier,Résultat P : Entier, Existe :Booléen)

Variables i : Entier – variablede parcours.

Débuti 0Existe Faux

Tant que (i< N) et (Nb_Requis[i] >Nb_Disponible)

Faire

i i+1

FinFaire

Si (i< N)

Alors

Existe Vrai

P i

Sinon

Existe Faux

FinSi

Fin


Exemple d’application

Nb_Max Nb_Total

R1 R2 R3 R1 R2 R3

P1 3 2 2 9 3 6

P2 6 1 3

P3 3 1 4

P4 4 2 2


Les états

A un instant donné, le système est dans l'un des états suivants.Indiquez si ces états sont sains ou non sains au sens del'algorithme du Banquier et dans l'affirmative, indiquer la suited'états permettant d'exécuter complètement les processus.


Etat 1 Etat 2 Etat 3

R1 R2 R3 R1 R2 R3 R1 R2 R3

P1 1 0 0 P1 1 0 0 P1 2 0 1

P2 6 1 2 P2 5 1 1 P2 5 1 1

P3 2 1 1 P3 2 1 1 P3 2 1 1

P4 0 0 2 P4 0 0 2 P4 0 0 2


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Etat 1


Etat 1

R1 R2 R3

P1 1 0 0

P2 6 1 2

P3 2 1 1

P4 0 0 2

Nb_Max Nb_Total

R1 R2 R3 R1 R2 R3

P1 3 2 2 9 3 6

P2 6 1 3

P3 3 1 4

P4 4 2 2

Nombre requis et disponibles

Nb_Requis Nb_Disponibles

R1 R2 R3 R1 R2 R3

P1 2 2 2 0 1 1

P2 0 0 1

P3 1 0 3

P4 4 2 0


Requis P2 ≤ disponiblesP2 se termine et libre ses ressources


R1 R2 R3 R1 R2 R3

P1 2 2 2 6 2 3

P3 1 0 3

P4 4 2 0



R1 R2 R3 R1 R2 R3

P1 2 2 2 6 2 3

P3 1 0 3

P4 4 2 0


Requis P1, P3 et P4 ≤ disponiblesOn choisit P1, qui se termine et libre sesressources


R1 R2 R3 R1 R2 R3

P3 1 0 3 7 2 3

P4 4 2 0


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R1 R2 R3 R1 R2 R3

P3 1 0 3 7 2 3

P4 4 2 0


Requis P3 et P4 ≤ disponiblesOn choisit P3, qui se termine et libre sesressources


R1 R2 R3 R1 R2 R3

P4 4 2 0 9 3 4



R1 R2 R3 R1 R2 R3

P4 4 2 0 9 3 4


Requis P4 ≤ disponiblesOn choisit P4, qui se termine et libre sesressources


R1 R2 R3 R1 R2 R3

9 3 6L'état 1 est un état sain.

Etat 2


Etat 2

R1 R2 R3

P1 1 0 0

P2 5 1 1

P3 2 1 1

P4 0 0 2

Nb_Max Nb_Total

R1 R2 R3 R1 R2 R3

P1 3 2 2 9 3 6

P2 6 1 3

P3 3 1 4

P4 4 2 2


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Nb_Requis

R1 R2 R3

P1 2 2 2

P2 1 0 2

P3 1 0 3

P4 4 2 0


Requis P2 ≤ disponiblesP2 se termine et libre ses ressources


R1 R2 R3 R1 R2 R3

P1 2 2 2 6 2 3

P3 1 0 3

P4 4 2 0

Nb_Disponibles

R1 R2 R3

1 1 2

Etat 2 est un état sein

P2 va ainsi se terminer.

Il libère les ressources qu’il détient. Ceci permettra, comme dans le cas de l'état 1

d'aller au terme des exécutions.


Etat 3


Nb_Max Nb_Total

R1 R2 R3 R1 R2 R3

P1 3 2 2 9 3 6

P2 6 1 3

P3 3 1 4

P4 4 2 2

Etat 3

R1 R2 R3

P1 2 0 1

P2 5 1 1

P3 2 1 1

P4 0 0 2


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L'état 3 …

Nb_Requis

R1 R2 R3

P1 1 2 1

P2 1 0 2

P3 1 0 3

P4 4 2 0


C'est un état d'interblocage

Pour tous les processusRequis > disponibles

Nb_Disponibles

R1 R2 R3

0 1 1

Limites de l'algorithme dubanquier

Le choix dans l'allocation des ressources suppose que le systèmed'exploitation possède à l'avance certaines informations, ce quin'est généralement pas possible : le nombre maximum de ressources disponibles dans le système,

chose difficile à connaître surtout en cas de panne. le nombre de processus dans le système, chose difficile à connaître

dans les systèmes multitâches et multi utilisateurs. L'algorithme assure la fin des tâches mais n'assure pas d'autres

critères intéressants au niveau d'un système d'exploitation tel quel'équité entre les processus. On peut améliorer ceci parl'introduction de critères de choix du processus élus en cas ouplusieurs choix sont possibles (FIFO, SJF, …).




Généralités


PLAN

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Khaled Hassine


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Avertissement et Evacuation


Détection des interblocages

La méthode se base sur l'utilisation des graphesd'allocation de ressources.

La détection des interblocages s'effectue par réductiondu graphe : si une demande de processus peut être satisfaite, on

l'effectue et on libère la ressource ; le graphe est alors réduit de ce processus et des ressources

acquises. Il n'y a pas d'interblocage si le graphe peut être réduit

de tous ses processus, sinon l'irréductibilité indiqueun interblocage.


Exemple


Ra

P1

P2

Rb

P3


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Guérison : Policier


Guérison dans la douleur

Plusieurs techniques pour résoudre l’interblocage: Suspension de tous les processus bloqués,

Solution radicale Guérison dans la douleur

Faire repartir le traitement à partir d'un point decontrôle antérieur,

Suspension successive des processus bloqués, Retrait successif des ressources des processus

bloqués


Guérison par reprise

Reprise au moyen de la préemption : ce type de reprise n'est pas souvent possible, les ressources n'étant pas toutes réquisitionnables (préemptives).

Reprise au moyen du rollback : il est possible de placer des points de reprise sur les processus, en

sauvegardant l'état du processus dans un fichier. Le point de reprise contient l'image mémoire du processus, ainsi que l'état des

ressources. Ce type de reprise est extrêmement coûteux et lourd à mettre en œuvre.

Reprise au moyen de la suppression du processus : si nous tuons un des processus, il libèrera peut-être des ressources nécessaires

à l'exécution d'un des autres du cycle, rompant ainsi le deadlock. problème du choix du processus à tuer.



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Politique de l'autruche


Politique de l'autruche (Ostrichalgorithm)

Principe : mettre la tête dans le sable comme l'autruche prétendre qu'il n'y a pas de problème

Solution simpliste qui porte ses fruits si le risque d'un deadlock pèse faiblement dans la balance face au coût

(en temps processeur, etc.) des autres algorithmes (enjeu économiquefaible).

la probabilité d’interblocage est faible Exemple, UNIX

ne détecte pas les deadlocks, préférer un éventuel interblocage à des restrictions trop contraignantes

(un seul processus, un seul fichier, etc.) éviter le surcharge du système



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