面试题：进程管理之死锁检测与解除 - 专家难度

Question

在实时操作系统中，进程对资源的请求和释放具有严格的时间限制，且系统需要保证高可靠性和低响应时间。假设存在一组实时进程，它们之间可能因为资源竞争而发生死锁。请设计一种死锁检测与解除机制，该机制要满足实时性要求，即能够在短时间内检测并解除死锁，同时保证系统资源的高效利用。此外，讨论如何评估该机制对实时操作系统整体性能（如任务完成时间、资源利用率等）的影响。

Answer 1

死锁检测与解除机制设计

1. 数据结构：
   • 资源分配图：使用一个有向图来表示进程和资源之间的关系。图中的节点分为两类，一类是进程节点，另一类是资源节点。从进程节点到资源节点的边表示进程请求该资源，从资源节点到进程节点的边表示该资源已分配给该进程。
   • 资源向量：记录每种资源的总量。
   • 分配矩阵：记录每个进程当前已分配到的每种资源的数量。
   • 需求矩阵：记录每个进程对每种资源的最大需求数量。
2. 死锁检测算法：
   • 初始化：遍历资源分配图，标记所有未被分配的资源节点和没有请求资源的进程节点。
   • 标记进程：对于每个未标记的进程节点，如果该进程当前已分配的资源加上它所请求的资源小于等于系统中可用的资源（通过资源向量计算），则标记该进程节点，并将该进程已分配的资源归还给系统（更新资源向量）。
   • 循环检测：重复上一步骤，直到没有新的进程节点可以被标记。
   • 判断死锁：如果存在未标记的进程节点，则说明存在死锁。这些未标记的进程节点构成死锁环。
3. 死锁解除机制：
   • 选择牺牲进程：在检测到死锁后，选择一个或多个进程作为牺牲者来解除死锁。选择原则可以是基于进程的优先级（优先选择低优先级进程）、剩余运行时间（优先选择剩余运行时间长的进程）或已占用资源量（优先选择占用资源量少的进程）等。
   • 资源剥夺：剥夺牺牲进程占用的资源，将这些资源分配给其他处于死锁环中的进程，以打破死锁环。被剥夺资源的进程需要重新调度执行。

对实时操作系统整体性能的影响评估

1. 任务完成时间：
   • 死锁检测开销：死锁检测算法的执行时间会增加任务完成时间。如果检测算法过于复杂，频繁检测会导致额外的时间开销。但如果检测间隔过长，死锁可能长时间存在，影响任务执行。可以通过测量死锁检测算法的平均执行时间，结合系统中进程数量和资源种类，评估其对任务完成时间的影响。
   • 死锁解除影响：选择牺牲进程解除死锁时，牺牲进程的重新执行可能会延长任务完成时间。可以通过模拟不同的牺牲进程选择策略，统计任务完成时间的变化，评估死锁解除机制对任务完成时间的影响。
2. 资源利用率：
   • 死锁预防：有效的死锁检测与解除机制可以避免因死锁导致的资源长期占用，提高资源利用率。通过比较系统在有和没有死锁检测与解除机制下，资源处于空闲状态的时间比例，评估其对资源利用率的提升效果。
   • 资源剥夺影响：资源剥夺操作可能会导致一些资源在短时间内频繁分配和回收，影响资源利用率。可以通过分析资源分配和回收的频率，以及资源处于不稳定状态（频繁分配回收）的时间，评估这种影响。同时，合理的牺牲进程选择策略可以尽量减少对资源利用率的负面影响。