面试题：进程管理中复杂资源分配策略的设计与实现

Question

假设在一个多进程的系统中，存在多种类型的资源（如CPU、内存、I/O设备等），不同进程对这些资源有不同的需求和优先级。请设计一个资源分配策略，以确保系统资源能够高效、公平地分配给各个进程，同时要避免死锁的发生。请详细描述该策略的设计思路、数据结构以及关键的实现步骤。

Answer 1

设计思路

1. 优先级分配：为每个进程分配一个优先级，优先级高的进程优先获得资源。优先级可以基于进程的类型（如系统进程优先级高于用户进程）、任务紧急程度等因素确定。
2. 资源请求队列：每个资源类型都有一个请求队列，进程按照优先级顺序加入到相应资源的请求队列中。
3. 安全状态检测：在分配资源前，检查系统是否处于安全状态，即是否存在一种资源分配序列，使得所有进程都能运行完成而不发生死锁。
4. 预分配检查：当一个进程请求资源时，先假设分配资源给它，然后检查这种预分配是否会导致系统进入不安全状态。如果不会，则进行实际分配；否则，拒绝分配。

数据结构

1. 进程结构体（Process）：
   • pid：进程ID。
   • priority：进程优先级。
   • allocation：已分配的资源向量，记录每个资源类型已分配给该进程的数量。
   • max_need：最大需求资源向量，记录每个进程对每种资源的最大需求量。
   • need：需求资源向量，need = max_need - allocation，表示进程还需要的资源量。
2. 资源结构体（Resource）：
   • total：该资源类型的总量。
   • available：当前可用的该资源数量。
   • request_queue：请求该资源的进程队列，按照优先级排序。
3. 系统状态结构体（SystemState）：
   • processes：所有进程的数组。
   • resources：所有资源类型的数组。

关键实现步骤

1. 初始化：
   • 初始化每个资源的total和available值。
   • 初始化每个进程的pid、priority、allocation、max_need值，并计算need值。
2. 资源请求处理：
   • 当一个进程P请求资源时，首先检查其need向量是否小于等于当前可用资源向量available。如果不满足，则拒绝请求，因为没有足够资源。
   • 假设分配资源给进程P，即更新available向量（available = available - request），更新进程P的allocation向量（allocation = allocation + request），并重新计算need向量。
   • 调用安全状态检测函数检查系统是否处于安全状态。如果安全，则实际分配资源；否则，撤销假设分配，拒绝请求。
3. 安全状态检测：
   • 创建一个工作向量work，初始化为available。
   • 创建一个布尔数组finish，初始化为false，表示所有进程都未完成。
   • 遍历所有进程，找到一个finish[i] == false且need[i] <= work的进程i。如果找到，则将work = work + allocation[i]，并将finish[i] = true。重复此步骤。
   • 如果所有进程的finish值都为true，则系统处于安全状态；否则，系统处于不安全状态。
4. 资源释放：
   • 当一个进程完成任务释放资源时，更新相应资源的available向量（available = available + allocation[pid]），并从所有资源的请求队列中移除该进程。