面试题：并发与同步：简述操作系统活锁常见场景及一种避免策略

Question

请简要描述在操作系统并发与同步环境下，可能出现活锁的常见场景，并详细阐述一种有效的避免活锁的策略，包括该策略的原理和实现方式。

Answer 1

活锁常见场景

1. 资源分配场景：多个进程或线程都在尝试获取资源，但由于资源分配策略不当，例如每个进程都在获取部分资源后又释放并重新尝试获取全部资源，导致它们一直在重复相同的获取 - 释放动作，却始终无法获取到足够资源继续执行。
2. 消息传递场景：在分布式系统或进程间通信中，两个或多个进程相互等待对方发送的消息来执行下一步操作。如果它们都在等待对方先发送消息，并且每次检测到对方未发送消息时就立即重试发送自己的消息，就会陷入活锁，不断尝试但无进展。

避免活锁策略 - 引入随机延迟

1. 原理：通过在重试操作中引入随机延迟，打破进程或线程之间的对称性，使得它们不会一直重复相同的操作序列。随机延迟可以让不同的进程或线程在不同的时间点重试，从而有机会打破循环等待状态，让某个进程能够获取到所需资源继续执行。
2. 实现方式： 以Python的多线程示例来说明，假设我们有两个线程竞争资源，代码如下：

import threading
import time
import random


class Resource:
    def __init__(self):
        self.lock = threading.Lock()


resource = Resource()


def thread_function(name):
    while True:
        if resource.lock.acquire(timeout=1):
            try:
                print(f"{name} acquired the resource.")
                # 模拟使用资源
                time.sleep(1)
                break
            finally:
                resource.lock.release()
        else:
            # 引入随机延迟
            delay = random.uniform(0, 1)
            print(f"{name} did not acquire the resource. Retrying in {delay} seconds.")
            time.sleep(delay)


if __name__ == "__main__":
    t1 = threading.Thread(target=thread_function, args=("Thread 1",))
    t2 = threading.Thread(target=thread_function, args=("Thread 2",))
    t1.start()
    t2.start()
    t1.join()
    t2.join()

在上述代码中，当线程未能获取到锁时，会随机等待0到1秒的时间后再重试，通过这种方式减少活锁发生的可能性。