面试题：并发与同步：复杂场景下操作系统需求图在死锁避免的应用

Question

假设一个分布式操作系统环境，节点之间存在资源共享与竞争，不同节点的资源请求和释放具有异步性。请详细说明如何构建适合此场景的操作系统需求图，以及如何基于该需求图动态调整资源分配策略以避免死锁，包括在网络延迟、节点故障等异常情况下的应对措施。

Answer 1

构建操作系统需求图

1. 节点与资源建模
   • 将每个节点视为一个实体，每个资源也视为一个实体。在图中，节点用圆圈表示，资源用矩形表示。
   • 例如，假设有节点A、B、C，资源R1、R2、R3，就在图上分别画出对应的圆圈和矩形。
2. 请求边与分配边
   • 请求边：当一个节点请求某个资源时，从该节点向对应的资源画一条有向边，箭头指向资源。例如，节点A请求资源R1，则从节点A到资源R1画一条有向边。
   • 分配边：当某个资源被分配给一个节点时，从资源向对应的节点画一条有向边，箭头指向节点。比如，资源R2分配给了节点B，就从资源R2到节点B画一条有向边。
3. 动态更新 随着节点对资源的请求和释放操作，实时更新需求图。如果节点C释放了资源R3，就删除资源R3到节点C的分配边；若节点B请求资源R3，则添加从节点B到资源R3的请求边。

基于需求图动态调整资源分配策略避免死锁

1. 检测死锁
   • 定期（或在每次资源请求和释放操作后）检查需求图中是否存在环路。若存在环路，表明可能发生死锁。例如，节点A请求资源R1，资源R1分配给节点B，节点B请求资源R2，资源R2分配给节点A，这就形成了一个环路。
   • 可以使用深度优先搜索（DFS）算法来检测环路。从图中的任意一个节点开始，沿着有向边进行搜索，如果在搜索过程中访问到一个已经在当前搜索路径中的节点，就说明存在环路。
2. 避免死锁的分配策略
   • 资源分配算法：采用银行家算法的变体。在每次资源请求时，假设将资源分配给请求节点，然后检查此时的需求图是否会形成环路。如果不会形成环路，则进行实际分配；否则拒绝分配。
   • 优先级分配：为不同节点或资源请求设置优先级。例如，关键任务所在节点的资源请求优先级高，优先分配资源给优先级高的请求，这样可以降低死锁发生的可能性，同时保证关键任务的执行。

异常情况应对措施

1. 网络延迟
   • 超时机制：在资源请求和响应过程中设置合理的超时时间。如果节点发出资源请求后，在规定时间内未收到响应，重新发送请求或进行其他处理。例如，设置超时时间为5秒，若5秒内未收到资源分配响应，重新发送请求。
   • 缓存与预取：对于一些经常使用的资源，节点可以进行缓存或预取。在网络延迟较高时，优先使用本地缓存的资源，减少对远程资源的依赖，降低因网络延迟导致的死锁风险。
2. 节点故障
   • 故障检测：通过心跳机制或定期的节点状态检测，及时发现节点故障。例如，每个节点每隔10秒向其他节点发送心跳消息，若连续3次未收到某个节点的心跳消息，则判定该节点故障。
   • 资源回收与重新分配：当检测到某个节点故障时，立即回收该节点占用的所有资源，并更新需求图。然后重新评估其他节点的资源请求，按照避免死锁的分配策略重新分配资源。同时，将故障节点从需求图中移除。