面试题：并发与同步：死锁避免在复杂分布式系统中的优化

Question

在一个跨地域的分布式系统中，节点之间通过网络传输数据，每个节点都可能运行多个并发任务并请求共享资源，网络延迟和节点故障等问题增加了死锁发生的可能性。请提出一种针对这种复杂分布式系统的死锁避免优化方案，分析该方案的可行性、优缺点，并说明如何应对方案实施过程中可能出现的新问题。

Answer 1

死锁避免优化方案

1. 资源分配图算法：通过构建资源分配图，每个节点维护自身资源使用情况和请求情况，并且定期向其他节点广播更新信息。当有新的资源请求时，检查资源分配图是否会形成环，如果会形成环则拒绝请求，避免死锁。具体步骤如下：

   • 初始化：每个节点记录自己拥有的资源（例如CPU时间片、内存块等）和已经分配给各个任务的资源。
   • 请求处理：当某个节点的任务请求资源时，先在本地资源分配图中模拟分配，如果模拟分配后不形成环，则实际分配资源；否则拒绝请求。
   • 更新与广播：资源分配发生变化（分配或释放）时，节点将更新后的资源分配图信息广播给其他节点，以便其他节点能准确构建全局资源分配图。

2. 时间戳排序算法：为每个任务分配一个全局唯一且单调递增的时间戳。当任务请求资源时，如果该资源已被占用，比较请求任务的时间戳和占用任务的时间戳。时间戳小的任务具有更高优先级，占用任务需释放资源给请求任务。具体流程为：

   • 时间戳生成：在任务创建时，由中心服务器或分布式时钟为任务分配时间戳。
   • 资源请求：任务请求资源时，节点检查资源是否被占用。若被占用，比较时间戳。
   • 资源抢占：若请求任务时间戳小，占用任务释放资源，待请求任务完成后再重新获取资源。

可行性分析

1. 资源分配图算法：在分布式系统中，虽然网络延迟和节点故障会带来挑战，但只要节点之间能够保持一定频率的信息交互，就可以构建出相对准确的资源分配图。并且每个节点的本地计算量相对可控，通过分布式计算可以实现对死锁的有效检测和预防，所以该方案在技术上是可行的。
2. 时间戳排序算法：借助分布式时钟（如Google的TrueTime等技术）或者中心服务器分配时间戳，在分布式环境下可以实现时间戳的全局唯一性和单调性。节点间基于时间戳进行资源分配决策，逻辑清晰，实现难度相对适中，具有较高的可行性。

优缺点分析

1. 资源分配图算法
   • 优点：
     • 能够精确检测死锁是否可能发生，避免死锁的准确性较高。
     • 对资源的分配和请求情况有直观的展示，便于系统管理员理解和监控。
   • 缺点：
     • 网络开销较大，节点需要频繁广播资源分配图信息，在网络带宽有限的跨地域分布式系统中可能成为瓶颈。
     • 图的维护和更新较为复杂，节点故障可能导致图信息不一致，恢复成本较高。
2. 时间戳排序算法
   • 优点：
     • 算法相对简单，实现成本较低，节点只需比较时间戳即可做出资源分配决策。
     • 具有较好的可扩展性，随着节点和任务数量增加，性能下降相对平缓。
   • 缺点：
     • 可能导致一些不必要的资源抢占，时间戳小的任务可能频繁抢占时间戳大的任务资源，降低系统整体效率。
     • 依赖准确的时间戳生成机制，分布式时钟同步误差或中心服务器故障可能影响算法正常运行。

应对新问题的方法

1. 资源分配图算法
   • 网络带宽问题：采用压缩算法对广播的资源分配图信息进行压缩，减少网络传输数据量；同时优化广播频率，只有在资源分配发生较大变化时才进行广播。
   • 图信息不一致问题：引入版本号机制，每个资源分配图更新都附带版本号，节点接收到新信息时，根据版本号判断是否为最新信息；当节点故障恢复后，通过向其他节点请求最新资源分配图来恢复一致性。
2. 时间戳排序算法
   • 不必要抢占问题：设置抢占阈值，当时间戳差距小于一定阈值时，不进行资源抢占，而是等待占用任务主动释放资源；同时，为被抢占任务提供补偿机制，如在后续资源分配中给予一定优先级提升。
   • 时间戳生成机制问题：采用多中心服务器备份方式生成时间戳，当主中心服务器故障时，备用服务器能迅速接管；对于分布式时钟同步误差，定期进行时钟校准，确保时间戳的准确性。