面试题：并发与同步：死锁检测与解除的综合案例分析

Question

假设在一个多线程的文件系统操作场景中，线程A持有文件F1的锁并请求文件F2的锁，线程B持有文件F2的锁并请求文件F1的锁，导致死锁。请详细描述如何通过死锁检测算法发现该死锁，以及如何使用资源剥夺法来解除死锁，并说明在解除死锁过程中可能遇到的问题及解决思路。

Answer 1

死锁检测算法

1. 资源分配图算法：
   • 构建资源分配图，图中包含进程节点（线程A、线程B）和资源节点（文件F1、文件F2）。
   • 线程持有资源用从资源节点到进程节点的边表示，线程请求资源用从进程节点到资源节点的边表示。
   • 检测图中是否存在环，若存在环则表示存在死锁。检测环可使用深度优先搜索（DFS）或广度优先搜索（BFS）算法。例如，从一个进程节点出发，沿着边遍历，若再次访问到已访问过的进程节点，则存在环。
2. 等待图算法：
   • 构建等待图，图中仅包含进程节点（线程A、线程B）。
   • 若线程A等待线程B持有的资源，则从线程A到线程B有一条边。
   • 同样使用DFS或BFS检测等待图中是否存在环，有环即存在死锁。

资源剥夺法解除死锁

1. 选择剥夺对象：
   • 选择代价最小的线程作为资源剥夺对象。代价可从线程优先级、已运行时间、剩余运行时间、释放资源对线程执行影响等方面衡量。例如，若线程A优先级较低，且已运行时间较短，可选择剥夺线程A持有的文件F1锁。
2. 剥夺资源：
   • 强制剥夺选定线程（如线程A）持有的资源（文件F1锁），并将其分配给等待该资源的线程（线程B）。
   • 线程A进入等待状态，直到被剥夺的资源再次可用。

解除死锁过程中可能遇到的问题及解决思路

1. 饥饿问题：
   • 问题：若总是选择同一线程进行资源剥夺，该线程可能一直无法获取足够资源而饥饿。
   • 解决思路：记录每个线程被剥夺资源的次数，设置阈值。当某线程被剥夺次数达到阈值时，优先满足其资源请求，或采用公平调度算法，如轮询调度，确保每个线程都有机会获取资源。
2. 数据一致性问题：
   • 问题：剥夺资源可能导致线程执行的中间数据不一致，如线程A对文件F1进行部分操作后资源被剥夺，后续重新获取资源继续执行可能导致文件F1数据错误。
   • 解决思路：使用事务机制，将对文件的操作封装成事务。在资源被剥夺前，回滚线程未完成的事务。当线程重新获取资源时，重新开始事务，确保数据一致性。或者使用日志记录线程对文件的操作，在资源重新获取后，根据日志恢复到正确状态。