面试题：并发与同步：实时操作系统中死锁在任务调度和中断处理嵌套场景下的表现形式

Question

在实时操作系统中，任务具有不同的优先级，且系统存在中断处理机制。当中断处理程序和高优先级任务、低优先级任务之间存在资源竞争时，可能会出现死锁。请深入分析这种场景下死锁形成的过程，从任务调度算法、中断响应机制以及资源分配策略等多角度阐述，并提出至少两种有效的预防死锁的方案及其原理。

Answer 1

死锁形成过程分析

1. 任务调度算法角度：在基于优先级的任务调度算法中，高优先级任务会优先执行。假设低优先级任务已经获取了部分资源，此时中断发生，中断处理程序抢占CPU执行。中断处理程序也需要低优先级任务持有的资源，而中断处理程序执行期间，低优先级任务无法释放资源，高优先级任务又因等待中断处理程序释放CPU而无法执行，从而形成死锁。例如，在抢占式优先级调度中，高优先级任务A等待低优先级任务B持有的资源R，而任务B被中断处理程序C打断，C也等待资源R，就出现了死锁局面。
2. 中断响应机制角度：中断具有最高优先级，当中断发生时，当前任务（无论是高优先级还是低优先级）会被暂停，CPU转去执行中断处理程序。如果中断处理程序需要的资源正在被某个任务占用，且该任务由于中断无法运行而不能释放资源，就可能导致死锁。比如，任务T1持有资源S，中断处理程序H需要资源S，中断发生后，T1被挂起，H等待S，而T1无法继续运行释放S，死锁产生。
3. 资源分配策略角度：若资源分配策略不合理，如采用静态分配，任务在运行前一次性获取所有所需资源，可能导致资源浪费和死锁。例如，低优先级任务L先获取资源R1，高优先级任务H需要R1和R2，在等待R1时，中断处理程序I需要R1，由于静态分配，H和I都无法获取R1，形成死锁。另外，如果资源分配不考虑任务优先级关系，也可能出现高优先级任务等待低优先级任务持有的资源，而低优先级任务被中断阻断无法释放资源的死锁情况。

预防死锁的方案及原理

1. 资源分配图算法（如银行家算法）：原理是在资源分配前，系统先判断此次分配是否会导致系统进入不安全状态。若会进入不安全状态，则拒绝分配；若不会，则进行分配。通过这种方式，确保系统始终处于安全状态，避免死锁。例如，系统有多个任务，每个任务对资源有不同需求，银行家算法会根据当前资源可用情况和各任务需求预测分配后的状态，只有在安全状态下才允许资源分配给任务。
2. 中断嵌套控制与资源分配规则：制定规则，当中断处理程序需要资源时，先检查该资源是否被任务占用。若被占用，判断占用任务的优先级。若占用任务优先级低于中断处理程序对应的任务（可根据中断源与任务的关系确定），则暂时不响应中断，等占用任务释放资源后再响应。如果占用任务优先级高，则中断处理程序等待。这样通过合理控制中断响应和资源分配顺序，避免死锁。比如，对于关键资源，只有在当前占用任务完成或者释放资源后，才允许中断处理程序获取该资源，防止中断处理程序和任务之间因资源竞争导致死锁。
3. 优先级继承机制：当高优先级任务等待低优先级任务持有的资源时，低优先级任务的优先级临时提升到与高优先级任务相同。这样低优先级任务可以尽快执行并释放资源，避免高优先级任务长时间等待。例如，高优先级任务A等待低优先级任务B持有的资源，此时B的优先级提升到与A相同，B在中断处理完成后可以快速执行并释放资源给A，防止死锁发生。