面试题：进程管理之高级难度：死锁问题与线程同步策略

Question

假设在一个多线程应用程序中，出现了死锁现象。请详细分析死锁产生的四个必要条件，并提出至少两种不同的线程同步策略来预防或解决死锁问题，同时阐述每种策略的优缺点。

Answer 1

死锁产生的四个必要条件

1. 互斥条件：资源在某一时刻只能被一个线程占用，其他线程若要使用该资源，必须等待其被释放。例如打印机资源，同一时间只能被一个进程使用打印任务。
2. 占有并等待条件：线程已经占有了至少一个资源，但又请求新的资源，而新资源被其他线程占有，此时该线程会等待新资源，并且不会释放已占有的资源。比如一个线程持有资源A，又请求资源B，而资源B被另一个线程持有。
3. 不可剥夺条件：已分配给线程的资源，在未使用完之前，不能被其他线程强行剥夺，只能由该线程自己主动释放。例如一个线程获取到的文件锁，其他线程不能强行夺走。
4. 循环等待条件：存在一个线程集合{T1, T2, …, Tn}，T1等待T2占有的资源，T2等待T3占有的资源，……，Tn等待T1占有的资源，形成一个循环等待链。

线程同步策略及优缺点

1. 破坏占有并等待条件
   • 策略：线程在启动前一次性申请完它所需要的所有资源，如果有任何一个资源无法获取，则该线程不占用任何资源，直接等待。当所有资源都可获取时，才一次性分配给该线程。
   • 优点：实现相对简单，从根源上破坏了死锁产生的占有并等待条件，能有效预防死锁。
   • 缺点：资源利用率较低，可能会造成一些资源长时间闲置。例如有些资源可能只是在程序运行后期才会用到，但由于这种策略，在程序一开始就被占用。
2. 破坏循环等待条件
   • 策略：对资源进行排序，规定线程必须按照资源的顺序依次申请资源。例如给资源编号1、2、3，线程只能先申请1，再申请2，最后申请3。
   • 优点：可以有效预防死锁，在实际应用中如果资源类型相对固定，这种方法比较实用。
   • 缺点：资源顺序可能不好确定，如果资源关系复杂，确定合理的顺序可能比较困难。而且这种方法缺乏灵活性，在资源动态变化的场景下适应性较差。
3. 资源分配图算法（银行家算法）
   • 策略：系统先对每个线程所需要的资源进行评估，在每次资源分配之前，判断此次分配是否会导致系统进入不安全状态（可能产生死锁的状态）。只有在分配后系统仍处于安全状态时，才进行资源分配。
   • 优点：可以精确判断资源分配是否会导致死锁，在保证系统不产生死锁的前提下，能最大化资源利用率。
   • 缺点：实现复杂，需要额外的数据结构和算法来记录和计算资源状态。而且每次资源请求都要进行复杂的计算，性能开销较大。