Взаимная блокировка

Взаи́мная блокиро́вка (сокращённо взаимоблокировка, англ. deadlock) — ситуация в многозадачной среде или СУБД, при которой несколько процессов находятся в состоянии ожидания ресурсов, занятых друг другом, и ни один из них не может продолжать свое выполнение^[1].

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).

Динамическая взаимоблокировка

Динамическая взаимоблокировка (англ. livelock) 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 путём 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 динамической взаимоблокировке — взаимная блокировка образуется, сбрасывается, снова образуется, снова сбрасывается и так далее.

Кроме того, эти алгоритмы реализуются диспетчером 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 борьбы с ними. 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: между блокировками устанавливается отношение сравнения и вводится правило о запрете захвата «большей» блокировки в состоянии, когда уже захвачена «меньшая». Таким образом, если процессу нужно несколько блокировок, ему нужно всегда начинать с самой «большой» — предварительно освободив все захваченные «меньшие», если такие есть — и затем в нисходящем порядке. Это может привести к лишним действиям (если «меньшая» блокировка нужна и уже захвачена, она освобождается только чтобы тут же быть захваченной снова), зато гарантированно решает проблему.

В некоторых случаях, особенно в поделенных на модули системах, это также усложняет архитектуру. 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 их интерфейсе взаимодействия с подсистемами кэша и виртуальной памяти.

Прочие алгоритмы:

Алгоритмы и методы предотвращения взаимной блокировки
Название	Условия Коффмана	Описание
Алгоритм Банкира^[англ.]	взаимное исключение	Алгоритм Банкира — это алгоритм распределения ресурсов^[англ.] и обхода взаимоблокировок, разработанный Э. Дейкстра.
Алгоритм предотвращения рекурсивных блокировок	взаимное исключение	Предотвращает захват потоком одной и той же блокировки несколько раз.