面试题：并发与同步：如何设计一个改进的死锁检测算法以减少误判

Question

已知当前操作系统死锁检测存在误判问题，假设你负责设计一个新的死锁检测算法来减少误判情况。请描述你的设计思路，包括采用的数据结构、检测流程以及如何验证该算法确实减少了误判率。

Answer 1

设计思路

1. 资源分配图算法基础：采用资源分配图算法作为基础，因为它能直观地展示进程与资源之间的关系。进程用节点表示，资源也用节点表示，进程请求资源或占用资源通过有向边连接。
2. 考虑资源动态特性：不仅关注当前资源分配状态，还记录资源使用历史和未来可能的请求模式。例如，记录每个进程在一段时间内对资源的请求频率、请求顺序等信息，以此判断进程请求资源的合理性。

采用的数据结构

1. 图结构：
   • 节点：包括进程节点和资源节点。进程节点记录进程ID、已占用资源列表、请求资源列表等信息；资源节点记录资源ID、资源总量、已分配量等信息。
   • 边：分为请求边（从进程节点指向资源节点，表示进程请求资源）和分配边（从资源节点指向进程节点，表示资源分配给进程）。
2. 历史记录表：
   • 记录每个进程的资源请求历史，包含每次请求的时间、请求的资源类型和数量等。
   • 记录资源的分配历史，如每次分配的时间、分配给哪个进程等。

检测流程

1. 初始化：
   • 根据当前系统状态构建资源分配图，填充节点和边的信息。
   • 初始化历史记录表，将已有的资源请求和分配记录录入。
2. 实时监测：
   • 每当有新的资源请求或分配操作时，更新资源分配图和历史记录表。
   • 对新的请求进行合理性分析，例如，结合历史请求模式判断当前请求是否符合该进程的常规请求行为。如果不符合，标记该请求为可疑请求。
3. 死锁检测：
   • 定期运行死锁检测算法，在资源分配图上查找是否存在环。如果存在环，进一步分析环中的节点和边。
   • 对于环中的进程，结合历史记录表判断是否真的可能发生死锁。例如，如果一个进程在历史上经常能成功获取环中涉及的资源，且当前系统资源情况与历史成功获取时相似，那么这个环可能不是死锁，而是暂时的资源等待情况。对于可疑请求所在的环，重点分析，判断是否为误判的死锁。

验证算法减少误判率的方法

1. 模拟测试：
   • 使用模拟程序生成大量不同场景的资源请求和分配序列，包括已知会导致死锁的场景和容易误判为死锁的场景。
   • 在模拟环境中运行新算法和原算法，记录两者的死锁检测结果。对比误判的次数，计算误判率（误判次数/总检测次数），验证新算法是否降低了误判率。
2. 实际系统测试：
   • 在实际操作系统环境中进行测试，选择不同负载、不同类型应用程序运行的场景。
   • 部署新算法和原算法，同时运行并收集死锁检测数据。通过对实际系统中误判情况的统计和对比，评估新算法在实际应用中减少误判率的效果。
3. 对比分析：
   • 分析新算法和原算法在不同场景下误判的具体案例，找出新算法能够正确识别而原算法误判的情况，从原理和数据结构使用等方面解释新算法减少误判的原因，进一步验证新算法在减少误判率方面的有效性。