面试题：并发与同步：死锁预防中的银行家算法优化

Question

银行家算法是经典的死锁预防算法。假设在一个系统中有多个进程和多种类型的资源，现有的银行家算法在资源分配效率上存在一定问题。请提出一种优化方案，以提高资源分配的效率，同时保证不会产生死锁，并详细说明优化后的算法流程及原理。

Answer 1

优化方案

1. 引入资源优先级：为不同类型的资源设置优先级。对于一些关键业务相关的资源（如数据库连接资源）设置较高优先级，对于辅助性资源（如临时文件存储资源）设置较低优先级。这样在分配资源时，优先满足高优先级资源的请求。
2. 预测资源使用趋势：通过分析进程过往的资源使用模式或者基于业务逻辑，预测进程未来一段时间内对资源的需求。提前预留部分资源给可能有较大需求的进程，避免资源分配的盲目性。

优化后算法流程

1. 初始化：
   • 记录系统中各类资源的总量 Available。
   • 记录每个进程对各类资源的最大需求 Max。
   • 记录每个进程当前已分配到的资源量 Allocation。
   • 计算每个进程还需要的资源量 Need = Max - Allocation。
   • 根据资源类型设置资源优先级列表 PriorityList。
2. 资源请求处理：
   • 当一个进程 P_i 发出资源请求 Request_i 时，首先检查请求的资源是否超过其 Need_i，若超过则拒绝请求，因为这意味着进程请求的资源超过了它声明的最大需求，可能导致死锁。
   • 检查系统当前可用资源 Available 是否能满足请求 Request_i，若不能满足则该进程等待。
   • 按照资源优先级，优先处理高优先级资源的请求。如果请求的资源中包含高优先级资源，先尝试分配高优先级资源部分。
   • 基于预测模块，如果预测到某个进程在不久的将来对某些资源有较大需求，在满足当前请求时，适当预留部分资源给该进程。
   • 若上述检查都通过，尝试进行资源分配：
     • Available = Available - Request_i。
     • Allocation_i = Allocation_i + Request_i。
     • Need_i = Need_i - Request_i。
   • 执行安全性检查：
     • 初始化一个工作向量 Work = Available。
     • 标记所有进程为未完成。
     • 遍历进程列表，寻找一个未完成且 Need_j <= Work 的进程 P_j。
     • 如果找到这样的进程 P_j，则 Work = Work + Allocation_j，并标记 P_j 为完成。
     • 重复上述步骤，直到所有进程都标记为完成或者找不到满足条件的进程。
     • 如果所有进程都能标记为完成，说明当前分配是安全的，分配成功；否则，撤销刚才的资源分配，恢复到分配前的状态，该进程等待。

原理

1. 资源优先级：通过为资源设置优先级，优先分配关键资源，确保系统中重要的业务流程能够顺利进行，提高整体资源利用效率。同时，由于关键资源优先得到满足，避免了因关键资源长期被占用而导致的死锁。
2. 预测资源使用趋势：预测进程未来的资源需求，提前预留资源，减少进程因资源不足而等待的时间，提高资源分配的及时性。这种预分配方式是基于对进程资源使用规律的分析，而不是盲目分配，因此在提高效率的同时也保证了不会因为过度分配而产生死锁。
3. 安全性检查：优化后的算法依旧保留银行家算法的安全性检查步骤。在每次资源分配后，通过模拟资源分配过程，检查是否存在一种安全序列，即所有进程都能依次获得所需资源并运行完成。只有在保证安全的前提下才真正进行资源分配，从而确保系统不会产生死锁。