面试题：并发与同步：复杂资源环境下死锁检测与恢复机制设计

Question

假设你处于一个多线程、多资源类型且资源数量动态变化的操作系统环境中，现有一个死锁检测与恢复的任务，阐述你会设计怎样的算法和机制来有效地检测死锁，并在死锁发生后进行合理恢复，同时说明设计方案如何兼顾系统性能和资源利用效率。

Answer 1

死锁检测算法

1. 资源分配图算法（如银行家算法的变体）
   • 数据结构：维护资源分配表，记录每个进程已分配的资源和请求的资源；资源状态表，记录每种资源的总数和可用数。
   • 检测过程：
     • 首先标记所有未完成的进程为“未检查”。
     • 寻找一个“未检查”且其请求资源数小于等于当前可用资源数的进程。如果找到，将该进程标记为“完成”，并将其已分配的资源归还给可用资源池。
     • 重复上一步，直到找不到满足条件的“未检查”进程。
     • 如果此时仍有“未检查”进程，说明存在死锁，这些“未检查”进程即为死锁进程集合。
2. 基于等待图的算法
   • 数据结构：构建等待图，图中的节点为进程，边表示进程间的等待关系（如进程A等待进程B释放资源，则有一条从A到B的边）。
   • 检测过程：
     • 定期（或在资源分配、请求操作时）更新等待图。
     • 使用深度优先搜索（DFS）或广度优先搜索（BFS）算法在等待图中查找环。如果存在环，则环上的进程处于死锁状态。

死锁恢复机制

1. 终止进程
   • 选择策略：
     • 优先终止优先级低的进程。可以根据进程的类型（如后台进程优先级低于前台交互进程）、进程已运行时间（运行时间短的优先终止，减少浪费的计算资源）等因素确定优先级。
     • 终止占用资源少的进程，以减少释放资源后对系统其他部分的影响。
   • 操作：终止选定的进程，将其已分配的资源归还给系统资源池，解除死锁。
2. 资源剥夺
   • 选择策略：
     • 从死锁进程中选择占用可剥夺资源（如CPU时间片等可临时收回再分配的资源）的进程。
     • 优先剥夺优先级低的死锁进程的资源。
   • 操作：剥夺选定进程的资源分配给其他进程，直到死锁解除。被剥夺资源的进程可能需要等待重新分配资源后才能继续执行。

兼顾系统性能和资源利用效率

1. 性能方面
   • 检测频率优化：对于死锁检测，不宜过于频繁（如每秒检测一次会消耗过多系统资源），也不能过于稀疏（可能导致死锁长时间未被发现影响系统性能）。可以根据系统的负载情况动态调整检测频率，例如在系统负载低时适当降低检测频率，负载高时提高检测频率。
   • 高效算法选择：选择复杂度较低的死锁检测算法，如基于等待图的算法在查找环时可以采用高效的DFS或BFS实现，减少检测过程中的计算开销。
2. 资源利用效率方面
   • 恢复策略优化：在死锁恢复时，优先采用资源剥夺策略而不是终止进程，因为终止进程意味着进程之前的计算工作全部白费，而资源剥夺可以尽量保留进程的执行进度。
   • 资源预分配与预留：在系统初始化或进程启动阶段，对于一些关键资源可以进行预分配或预留，减少死锁发生的可能性，提高资源利用的稳定性和效率。同时，在资源动态变化过程中，合理调整预分配和预留策略，避免资源浪费。