面试题：操作系统并发与同步：复杂场景下死锁预防与资源分配优化

Question

在一个分布式操作系统环境中，不同节点的进程需要竞争多种类型的共享资源，且资源的分配和释放具有不确定性。请设计一套完整的死锁预防策略，既要考虑资源的高效利用，又要避免死锁的发生，同时说明该策略在应对资源动态变化和节点故障时的处理方式。

Answer 1

死锁预防策略设计

1. 资源分配策略：

   • 资源排序：对所有类型的共享资源进行全局排序，例如按照资源的ID或者某种逻辑顺序。进程请求资源时，必须按照这个顺序来请求。例如，进程若需要资源A和资源B，且A的排序在B之前，那么必须先请求A，再请求B。这样可以避免循环等待的情况，因为所有进程获取资源的顺序是一致的，不会形成环。
   • 一次性请求：要求进程一次性请求它在整个运行周期内可能需要的所有资源。若系统能够满足该进程的所有资源请求，则一次性分配给它；若不能满足，则一个资源都不分配，进程进入等待状态。这种方式可以防止进程持有部分资源又等待其他资源的情况，从而避免死锁。

2. 资源释放策略：

   • 主动释放：当进程使用完所有资源后，主动一次性释放所有已分配的资源。这保证了资源能够及时被其他进程获取，提高资源利用率。
   • 故障处理时的释放：当检测到某个节点发生故障时，该节点上所有正在使用的资源都被标记为可释放状态。其他节点可以通过某种机制（如分布式锁）来竞争获取这些资源。

应对资源动态变化的处理方式

1. 资源增加：当有新的资源类型或新的资源实例加入系统时，重新对所有资源进行排序，并通知所有节点更新资源排序信息。已经在运行的进程若需要新资源，按照新的排序规则，在合适的时机请求新资源。
2. 资源减少：当资源被永久移除（如硬件故障导致资源不可用）时，系统需要重新评估资源分配情况。对于依赖这些资源的进程，将其资源请求标记为无法满足，这些进程进入等待状态或者根据系统策略进行终止。同时，更新资源排序信息。

应对节点故障的处理方式

1. 故障检测：通过心跳机制或分布式监控系统来检测节点是否发生故障。每个节点定期向其他节点或监控中心发送心跳消息，若在一定时间内未收到某个节点的心跳，则判定该节点故障。
2. 资源回收：如前文所述，故障节点上的所有资源被标记为可释放。同时，通知其他节点更新资源状态信息。
3. 进程迁移与重启：对于故障节点上正在运行的进程，若系统支持进程迁移，可以将部分或全部进程迁移到其他可用节点上重新运行，并按照资源分配策略重新请求资源。若不支持进程迁移，则在故障排除后，在原节点重启这些进程，并重新进行资源分配。