面试题：网络编程下分布式系统死锁与并发编程死锁的区别及处理

Question

在网络编程涉及的分布式系统环境与传统并发编程环境中，死锁的形成机制既有相似之处也有不同点。请阐述这两种环境下死锁的区别，并分别说明常用的死锁检测和预防策略，同时举例说明如何在分布式网络服务中避免死锁。

Answer 1

死锁区别

1. 传统并发编程环境：
   • 资源竞争类型：通常围绕进程或线程共享的本地资源，如内存、文件句柄、锁等。例如多个线程竞争访问同一个文件描述符进行读写操作。
   • 死锁范围：局限于单个进程或同一主机内的多个进程之间，死锁检测相对简单，因为可以直接访问和监控所有相关资源和线程状态。
2. 分布式系统环境：
   • 资源竞争类型：涉及到跨网络的资源，如分布式数据库中的锁、远程服务调用资源等。例如不同节点上的进程竞争分布式锁服务中的锁资源。
   • 死锁范围：跨多个节点和网络，由于网络延迟、节点故障等不确定性因素，死锁检测和预防更为复杂。节点之间难以实时准确获取彼此资源状态。

死锁检测和预防策略

1. 传统并发编程环境：
   • 检测策略：
     • 资源分配图算法：通过构建资源分配图，检测图中是否存在环，若存在环则可能存在死锁。例如，在操作系统的进程管理中，可以利用这种方法检测多个进程之间的资源竞争关系。
   • 预防策略：
     • 破坏死锁的四个必要条件：
       • 破坏互斥条件：尽量使用可共享资源，减少对互斥资源的依赖。但有些资源本身特性决定必须互斥访问，所以该方法应用有限。
       • 破坏占有并等待条件：进程在申请新资源前，先释放已占有的资源。例如在数据库事务中，事务开始时获取所有需要的锁，避免在持有部分锁时再申请其他锁。
       • 破坏不可剥夺条件：允许操作系统在必要时剥夺进程占有的资源分配给其他进程。例如当一个高优先级进程需要资源时，可以剥夺低优先级进程持有的资源。
       • 破坏循环等待条件：对资源进行排序，进程按照顺序申请资源。例如在多线程程序中，对多个锁进行编号，线程按照编号从小到大的顺序获取锁。
2. 分布式系统环境：
   • 检测策略：
     • 分布式死锁检测算法：如 Chandy - Lamport 算法，它通过分布式的方式收集各个节点的资源和进程状态信息，构建全局资源分配图来检测死锁。该算法在节点间传递消息，标记资源和进程状态，以确定是否存在死锁环。
   • 预防策略：
     • 资源分配策略：使用分布式锁服务，如 ZooKeeper。通过 ZooKeeper 的特性，实现资源的有序分配，避免循环等待。例如在分布式文件系统中，使用 ZooKeeper 来管理文件锁，确保不同节点按照一定顺序获取锁。
     • 超时机制：为资源请求和远程调用设置合理的超时时间。若在规定时间内未获取到资源或调用未完成，则放弃当前操作并释放已占有的资源。例如在微服务架构中，服务间调用设置超时，防止因网络问题导致长时间等待资源造成死锁。

分布式网络服务中避免死锁示例

假设一个分布式电商系统，其中订单服务、库存服务和支付服务可能会相互调用。例如订单服务创建订单时需要调用库存服务扣减库存，调用支付服务进行支付。为避免死锁：

1. 资源排序：对这三个服务涉及的资源进行排序，假设顺序为库存服务资源 < 支付服务资源 < 订单服务资源。当订单服务发起操作时，先获取库存服务资源（扣减库存），再获取支付服务资源（进行支付），最后处理订单服务自身相关资源（创建订单记录）。其他服务调用时也遵循此资源获取顺序，避免循环等待。
2. 超时机制：在订单服务调用库存服务和支付服务时，设置合理的超时时间。比如调用库存服务扣减库存，若 5 秒内未响应成功，则订单服务放弃操作并通知库存服务释放已锁定的库存资源，避免因库存服务故障或网络延迟导致死锁。