面试题：并发与同步：操作系统中死锁的常见场景及预防方法

Question

请描述在操作系统并发环境下，死锁可能出现的常见场景有哪些，并阐述至少两种预防死锁的方法及其原理。

Answer 1

死锁常见场景

1. 资源竞争场景：多个进程竞争有限的资源，比如打印机、磁带机等独占资源。例如，进程A占用了打印机，请求磁带机；进程B占用了磁带机，请求打印机，此时双方都不释放已占资源，就可能导致死锁。
2. 生产者 - 消费者场景变体：在有多个缓冲区的生产者 - 消费者模型中，如果生产者和消费者对缓冲区的获取和释放顺序不当。比如生产者按顺序获取缓冲区1、2，消费者按顺序获取缓冲区2、1，当双方都获取了第一个缓冲区后，都等待对方释放第二个缓冲区，就会产生死锁。
3. 哲学家就餐场景：多个哲学家围绕一张桌子，每个哲学家左右各有一支筷子，哲学家需要同时拿起左右两支筷子才能就餐。如果每个哲学家都先拿起左边筷子，然后等待右边筷子，就会出现所有哲学家都在等待对方放下筷子的死锁情况。

预防死锁的方法及原理

1. 破坏死锁的四个必要条件 - 互斥条件：
   • 方法：允许资源共享使用，不使用独占资源方式。例如，将打印机这种独占设备改造为网络共享打印机，多个进程可分时使用。
   • 原理：死锁的四个必要条件之一是互斥条件，即资源只能被一个进程独占使用。若打破此条件，资源可同时被多个进程使用，就不会因互斥使用资源而产生死锁。
2. 破坏死锁的四个必要条件 - 占有并等待条件：
   • 方法：进程在申请资源前，必须先释放已占有的所有资源。比如进程需要打印机和磁带机，它必须先释放当前占有的所有资源，然后一次性申请打印机和磁带机。
   • 原理：占有并等待条件指进程已占有一些资源，又申请新资源且不释放已占资源。打破此条件，进程不会一边占有资源一边等待其他资源，避免了资源循环等待导致的死锁。
3. 破坏死锁的四个必要条件 - 不可剥夺条件：
   • 方法：当一个进程占有了某些资源，而又申请新资源得不到满足时，系统可剥夺该进程已占有的资源给其他进程使用。例如，进程A占用了资源R1，申请资源R2未得到，系统可剥夺R1给需要R1的进程B。
   • 原理：不可剥夺条件指进程占有的资源不能被其他进程强行剥夺。打破此条件，通过剥夺机制，能打破因资源持续占有导致的死锁局面。
4. 破坏死锁的四个必要条件 - 循环等待条件：
   • 方法：对资源进行编号，进程只能按照编号递增的顺序申请资源。比如资源编号为1、2、3，进程申请资源时，只能先申请1，再申请2，最后申请3。
   • 原理：循环等待条件指存在一个进程 - 资源的循环链。按资源编号递增申请，不会形成循环等待链，从而预防死锁。