面试题：并发与同步：死锁避免算法在动态环境下的优化

Question

假设系统资源类型和数量会随着时间动态变化，同时进程的资源请求模式也具有不确定性。请设计一种基于经典死锁避免算法（如银行家算法）的改进方案，使其能够适应这种动态环境，说明设计思路、数据结构以及算法流程。

Answer 1

设计思路

1. 动态资源跟踪：实时监控系统中各类资源的数量变化，不仅在初始时记录资源总量，还要在资源增减时及时更新。
2. 请求模式学习：对进程的资源请求历史进行分析，尝试预测其未来的请求模式，以更好地应对不确定性。
3. 灵活调整算法：当资源类型或数量变化时，重新评估系统的安全性状态，确保算法能适应新的资源配置。

数据结构

1. 资源向量（Resource Vector, RV）：记录当前系统中每种资源的可用数量，其维度随资源类型的动态变化而调整。例如，若有n种资源，RV = [r1, r2, ..., rn]，ri表示第i种资源的可用数量。
2. 分配矩阵（Allocation Matrix, AM）：记录每个进程当前已分配到的每种资源的数量。维度为m * n，m是进程数，n是资源类型数。AM[i][j]表示进程i已分配到的第j种资源的数量。
3. 需求矩阵（Need Matrix, NM）：记录每个进程还需要的每种资源的数量。维度同样为m * n，NM[i][j]表示进程i还需要的第j种资源的数量。
4. 请求历史表（Request History Table, RHT）：记录每个进程的资源请求历史，以帮助预测未来请求。每个进程对应一个请求历史列表，列表中每个元素记录一次请求的资源种类和数量。

算法流程

1. 初始化：
   • 根据初始的资源类型和数量，初始化资源向量RV。
   • 根据进程初始已分配资源情况，初始化分配矩阵AM。
   • 根据进程预计所需资源情况，初始化需求矩阵NM。
   • 初始化请求历史表RHT为空。
2. 资源动态变化处理：
   • 当有新的资源类型加入时，在RV、AM、NM中添加相应的维度，并初始化对应值。
   • 当资源数量发生变化时，更新RV中对应资源的数量。然后重新评估系统安全性，即执行安全性检查步骤。
3. 进程资源请求处理：
   • 当进程P发出资源请求Request时，首先检查Request是否超过NM[P]中对应资源的需求量，若超过则拒绝请求。
   • 然后检查Request是否超过RV中对应资源的可用量，若超过则将请求放入等待队列，等待资源可用。
   • 若以上两个条件都满足，暂时将资源分配给进程P，即更新RV、AM和NM。
   • 将此次请求记录到RHT[P]中。
   • 执行安全性检查：
     • 初始化一个工作向量Work = RV，一个完成向量Finish，长度为进程数，初始值均为false。
     • 遍历所有进程i，若Finish[i] == false且NM[i] <= Work，则将AM[i]资源返还给Work，即Work = Work + AM[i]，并设Finish[i] = true。
     • 重复上述步骤，直到所有进程的Finish值都为true，则系统处于安全状态，请求可批准；若存在进程无法满足NM[i] <= Work且Finish[i] == false，则系统处于不安全状态，撤销刚才的资源分配，拒绝请求。
4. 请求模式预测（可选步骤）：
   • 定期分析RHT中每个进程的请求历史，例如使用机器学习算法（如时间序列分析）预测进程未来可能的资源请求。
   • 根据预测结果，提前调整资源分配策略或预留资源，以更好地应对不确定性。