面试题：复杂并发同步环境下银行家算法的拓展与实现

Question

假设你正在开发一个分布式操作系统，其中各个节点都有不同类型和数量的资源，并且进程可能在不同节点间迁移。在这种复杂的并发与同步环境下，传统的银行家算法无法直接适用。请设计一种基于银行家算法思想的资源分配与死锁避免方案，详细描述该方案的数据结构、算法流程以及如何处理进程迁移过程中的资源再分配和死锁检测问题。

Answer 1

数据结构

1. 全局资源表（Global Resource Table）：
   • 记录整个分布式系统中每种资源的总量。例如，假设有CPU、内存、磁盘空间三种资源，该表可表示为 [total_cpu, total_memory, total_disk]。
2. 节点资源表（Node Resource Table）：
   • 每个节点都有自己的资源表，记录该节点当前可用的资源。结构类似全局资源表，如 node_i_resource = [available_cpu_i, available_memory_i, available_disk_i]。
3. 进程资源需求表（Process Resource Demand Table）：
   • 记录每个进程在不同节点上对各类资源的最大需求。例如，进程 P_j 在节点 i 上对资源的最大需求可表示为 max_demand[P_j][node_i] = [max_cpu_j_i, max_memory_j_i, max_disk_j_i]。
4. 进程资源分配表（Process Resource Allocation Table）：
   • 记录每个进程当前在各个节点上实际分配到的资源。如 allocation[P_j][node_i] = [allocated_cpu_j_i, allocated_memory_j_i, allocated_disk_j_i]。

算法流程

1. 资源请求阶段：
   • 当一个进程 P_j 在节点 i 上请求资源 request = [req_cpu, req_memory, req_disk] 时，首先检查该节点的可用资源是否满足请求，即 node_i_resource >= request。
   • 若节点资源不足，检查其他节点是否有足够资源且满足进程迁移条件。
   • 若全局资源都无法满足请求，则进程等待。
2. 资源分配阶段：
   • 若节点 i 有足够资源，检查分配后是否会导致死锁。计算分配后的剩余资源 new_node_i_resource = node_i_resource - request，以及进程 P_j 在该节点上的剩余需求 remaining_demand[P_j][node_i] = max_demand[P_j][node_i] - request。
   • 使用类似银行家算法的安全性检查，假设分配资源后，尝试寻找一个安全序列，即系统中是否存在一种方式能让所有进程依次完成任务并释放资源。若存在安全序列，则进行资源分配，更新 node_i_resource、allocation[P_j][node_i] 等相关表。

进程迁移过程中的资源再分配和死锁检测

1. 资源再分配：
   • 当进程 P_j 从节点 i 迁移到节点 k 时，首先在节点 i 上释放该进程占用的资源，即 node_i_resource += allocation[P_j][node_i]，并清空 allocation[P_j][node_i]。
   • 然后在节点 k 上根据进程的需求和节点 k 的可用资源进行资源分配，按照资源请求和分配的算法流程进行操作。
2. 死锁检测：
   • 定期（或在资源分配、进程迁移等关键操作后）进行死锁检测。构建资源分配图（如Wait - For图），节点表示进程和资源，边表示进程对资源的请求或分配关系。
   • 使用深度优先搜索（DFS）等算法检测图中是否存在环。若存在环，则表示可能发生死锁。
   • 当检测到死锁时，选择一个牺牲进程（如资源占用少、优先级低的进程），终止该进程并释放其占用的资源，然后重新进行资源分配和死锁检测，直到系统恢复到无死锁状态。