面试题：操作系统并发与同步里死锁对系统性能的具体影响

Question

在操作系统并发与同步机制中，死锁一旦发生，会从哪些方面影响系统性能？请详细说明，并举例阐述如何量化这些影响。

Answer 1

影响方面

1. 资源利用率：
   • 死锁发生时，参与死锁的进程占用的资源无法被其他进程使用，导致资源闲置浪费。例如，进程 A 持有资源 R1 并等待资源 R2，进程 B 持有资源 R2 并等待资源 R1，这两个资源在死锁期间都不能被其他进程利用，降低了整个系统对资源 R1 和 R2 的利用率。
2. 系统吞吐量：
   • 由于死锁进程占用资源且无法推进，会使得系统整体完成的任务数量减少，从而降低系统吞吐量。比如在一个多任务处理系统中，原本可以并行处理多个任务，但因为死锁，部分任务被阻塞，导致单位时间内完成的任务量下降。
3. 响应时间：
   • 死锁导致相关进程长时间得不到所需资源，处于等待状态，使得这些进程的响应时间无限延长。例如，一个交互式应用程序的进程因死锁等待资源，用户操作后长时间得不到响应，严重影响用户体验。
4. CPU 利用率：
   • 虽然死锁进程本身可能不占用 CPU 执行时间，但系统为了处理死锁检测和恢复机制，会消耗额外的 CPU 时间。同时，死锁导致其他可执行进程得不到足够资源运行，CPU 可能处于空闲或低利用率状态。比如系统每隔一段时间运行死锁检测算法，这期间会占用 CPU 资源，而本该运行的有效进程却因死锁相关资源被占用而无法运行，导致 CPU 利用率降低。

量化影响举例

1. 资源利用率量化：
   • 假设系统中有 10 个某种类型的资源，正常情况下资源利用率为 80%，即平均有 8 个资源在被使用。发生死锁后，假设有 4 个资源被死锁进程占用，那么此时资源利用率变为((10 - 4) / 10 = 60%)，通过对比死锁前后资源被使用的比例，量化了资源利用率的降低。
2. 系统吞吐量量化：
   • 以一个 Web 服务器为例，正常情况下每小时能处理 1000 个请求，即吞吐量为 1000 个请求/小时。发生死锁后，部分处理请求的进程被阻塞，每小时只能处理 600 个请求，吞吐量下降为 600 个请求/小时，通过对比死锁前后单位时间内处理请求的数量，量化了系统吞吐量的降低。
3. 响应时间量化：
   • 对于一个数据库查询操作，正常情况下平均响应时间为 100 毫秒。由于死锁，相关进程等待资源，使得平均响应时间上升到 1000 毫秒，通过对比死锁前后的平均响应时间，量化了响应时间的延长。
4. CPU 利用率量化：
   • 利用系统监控工具，如 Linux 系统中的 top 命令。正常情况下 CPU 利用率为 70%，发生死锁后，死锁检测算法运行等额外操作使 CPU 利用率在死锁检测期间上升到 80%，但由于死锁导致可执行进程减少，整体 CPU 实际有效利用率下降到 50%，通过监控工具获取死锁前后 CPU 利用率数据，量化了 CPU 利用率的变化情况。