面试题：并发与同步之高级难度：哲学家进餐问题优化

Question

在哲学家进餐问题中，传统的解决方法可能会出现死锁。请提出至少两种避免死锁的策略，并详细阐述每种策略的原理以及在操作系统层面如何实现，同时分析每种策略对系统性能的影响。

Answer 1

策略一：资源分配图算法（如银行家算法）

1. 原理：银行家算法通过对系统资源的分配情况进行记录和预测，在每次请求资源时，检查分配后系统是否仍处于安全状态。若处于安全状态，则进行分配；否则拒绝分配。对于哲学家进餐问题，将筷子视为资源，每个哲学家视为进程。每次哲学家请求拿起筷子时，系统根据银行家算法检查分配这两根筷子后是否能找到一个安全序列，若能则分配，否则不分配。
2. 操作系统层面实现：
   • 维护数据结构，包括可利用资源向量Available（记录当前可用的筷子数量）、最大需求矩阵Max（每个哲学家最多需要的筷子数）、分配矩阵Allocation（记录当前每个哲学家已分配到的筷子数）和需求矩阵Need（每个哲学家还需要的筷子数，Need = Max - Allocation）。
   • 当哲学家请求筷子时，先检查其需求是否超过其声明的最大需求（即请求的筷子数是否大于Need中对应的值），若超过则拒绝请求。
   • 然后检查当前可用资源是否满足请求（即Available中对应筷子数是否大于等于请求数），若不满足则拒绝请求。
   • 若上述条件都满足，假设分配资源，更新Available、Allocation和Need矩阵，然后检查系统是否处于安全状态，即能否找到一个安全序列。若能找到，则实际分配资源；若找不到，则撤销假设分配，拒绝请求。
3. 对系统性能影响：
   • 优点：能有效避免死锁，保证系统资源分配的安全性。
   • 缺点：算法复杂度较高，每次资源请求都需要进行复杂的检查和计算，会增加系统开销，降低系统的并发性能。特别是在系统资源和进程数量较多时，性能下降较为明显。

策略二：限制同时拿起筷子的哲学家数量

1. 原理：通过限制同时拿起筷子的哲学家数量，确保至少有一个哲学家能够拿到两根筷子，从而避免所有哲学家都在等待对方放下筷子而导致的死锁。例如，规定最多允许 n - 1 个哲学家同时拿起筷子（n 为哲学家总数），这样就必然有一个哲学家可以拿到两根筷子，吃完后放下筷子，其他哲学家就有机会拿到筷子进餐。
2. 操作系统层面实现：
   • 可以使用信号量机制。创建一个二元信号量，初始值为 n - 1。
   • 每个哲学家在尝试拿起筷子前，先获取这个信号量。获取成功意味着允许该哲学家拿起筷子，获取失败则等待。
   • 当哲学家吃完放下筷子后，释放该信号量，其他等待的哲学家就有机会获取信号量并拿起筷子。
3. 对系统性能影响：
   • 优点：实现相对简单，算法复杂度低，对系统性能影响较小，能在一定程度上保证系统的并发性能。
   • 缺点：虽然避免了死锁，但由于限制了同时进餐的哲学家数量，可能会导致部分哲学家等待时间较长，在一定程度上降低了资源的利用率。

策略三：按顺序拿起筷子

1. 原理：为筷子编号，规定哲学家只能按顺序拿起筷子，例如从编号小的筷子开始拿。这样就不会出现每个哲学家都拿起一只筷子，然后等待相邻哲学家放下另一只筷子的循环等待情况，从而避免死锁。比如有 5 个哲学家和 5 根筷子，编号为 1 - 5，哲学家 1 先拿 1 号筷子，再拿 2 号筷子；哲学家 2 先拿 2 号筷子，再拿 3 号筷子，以此类推。
2. 操作系统层面实现：
   • 在代码实现上，每个哲学家进程中规定获取筷子的顺序。
   • 当哲学家请求拿起筷子时，按照规定的顺序依次尝试获取筷子。如果获取失败（筷子已被占用），则等待，直到成功获取两根筷子。
3. 对系统性能影响：
   • 优点：实现简单，能有效避免死锁。由于哲学家获取筷子的顺序是确定的，调度相对简单，对系统性能影响较小。
   • 缺点：可能会导致某些哲学家等待时间过长。例如，编号较大的哲学家可能需要等待编号较小的哲学家使用完筷子后才能获取，可能影响系统的公平性，并且在一定程度上也会降低资源的利用率。