面试题：并发与同步：死锁预防策略在系统设计中的应用

Question

请简要阐述死锁预防的四个必要条件，并说明在系统级设计中如何通过破坏这些条件来预防死锁，举例说明其中一种破坏条件的方法在实际操作系统中的应用场景。

Answer 1

死锁预防的四个必要条件

1. 互斥条件：资源在某一时刻只能被一个进程所使用。
2. 占有并等待条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
3. 不可剥夺条件：进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
4. 循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

通过破坏条件预防死锁

1. 破坏互斥条件：某些资源本身不支持共享使用，但对于一些可共享的资源，如打印机，可采用假脱机技术，将打印机的独占访问转换为共享访问。
2. 破坏占有并等待条件：进程在运行前一次性申请它所需要的全部资源，在资源未满足前，进程不投入运行。例如银行家算法的变体，让进程预先声明所需资源，系统判断能否满足，能则分配全部资源，进程开始运行。
3. 破坏不可剥夺条件：当一个已获得某些资源的进程，请求新资源而得不到满足时，它必须释放已获得的所有资源，以后再重新申请。例如在内存管理中，若一个进程因申请内存不足，可剥夺其已占内存分配给其他进程。
4. 破坏循环等待条件：可采用资源分配图算法，将所有资源类型进行线性排序，进程只能按照资源序号递增的顺序申请资源。例如为系统中的各种设备编号，进程申请设备时，只能从低编号设备开始申请。

实际操作系统中应用场景举例

以破坏循环等待条件为例，在Linux操作系统的文件系统中，inode号是一种资源标识。在对文件进行操作时，为防止死锁，进程获取inode资源时按inode号从小到大的顺序申请。例如进程A和进程B，如果都需要对两个文件进行操作，且文件的inode号分别为10和20，那么进程A和进程B都先申请inode号为10的资源，再申请inode号为20的资源，避免了循环等待，从而预防死锁。