面试题：并发与同步：实时操作系统中死锁预防机制的设计与优化

Question

在实时操作系统环境下，由于任务对时间响应要求高，传统死锁预防策略可能不完全适用。请设计一种适用于实时操作系统的死锁预防机制，并说明如何在保证任务及时执行的同时避免死锁，且阐述优化该机制以减少系统开销的思路。

Answer 1

死锁预防机制设计

1. 资源分配图算法（Resource Allocation Graph Algorithm）：
   • 维护一个资源分配图（RAG），图中节点包括任务（进程）和资源。边表示任务对资源的请求或分配关系。
   • 当一个任务请求资源时，系统检查RAG是否会因为此次请求而形成环。如果形成环，则意味着可能发生死锁，拒绝该请求；否则，分配资源。
2. 基于优先级的资源分配：
   • 为每个任务分配一个优先级，优先级可根据任务的实时性要求（如截止时间等）来确定。
   • 当多个任务竞争资源时，优先分配给优先级高的任务。这样可以保证高优先级的实时任务优先获取资源并及时执行。

保证任务及时执行与避免死锁

1. 资源预留：
   • 对于高优先级的实时任务，系统在任务启动前根据其资源需求进行资源预留。这样可以确保在任务执行时能够及时获取所需资源，避免因资源竞争而导致的延迟。
   • 同时，在资源预留过程中，结合RAG算法，确保预留操作不会导致死锁。例如，预留资源后检查RAG是否成环，如果成环则调整预留策略或拒绝预留。
2. 动态资源分配调整：
   • 实时系统中任务的资源需求可能随时间变化。当一个低优先级任务持有资源，而高优先级任务需要该资源时，系统可以暂时剥夺低优先级任务的资源分配给高优先级任务。
   • 在剥夺资源时，要确保低优先级任务的状态可以保存和恢复，并且整个过程不会导致死锁。可以通过在剥夺资源前后检查RAG来保证。

优化机制减少系统开销思路

1. 缓存与预计算：
   • 缓存经常使用的资源分配信息，如每个任务的资源需求、已分配资源等。这样在进行资源分配决策时，可以快速获取相关信息，减少查询和计算时间。
   • 对一些常见的资源分配场景进行预计算，例如某些任务组合请求资源时是否会导致死锁。当实际发生类似请求时，直接利用预计算结果，避免重复计算。
2. 简化资源分配检查：
   • 根据系统特点，对资源分配图算法进行简化。例如，如果系统中资源类型相对固定且数量有限，可以预先分析出一些不可能导致死锁的资源分配模式，在实际检查时跳过这些模式的检查，减少检查工作量。
   • 对于优先级相近的任务，可以采用相对宽松的资源分配策略，减少频繁的死锁检查次数，在一定程度上牺牲部分死锁检测精度来换取系统开销的降低，但要确保不会引入严重的死锁风险。
3. 分布式处理：
   • 如果实时系统是分布式的，可以将资源分配和死锁预防的部分工作分布到各个节点进行处理。每个节点负责管理本地资源的分配和死锁检测，减少集中式处理带来的通信和计算开销。
   • 各个节点之间通过定期同步资源分配信息来保证整个系统的一致性，同时在节点间协作处理可能跨节点的资源请求和死锁问题时，采用高效的通信协议和协调机制，降低通信开销。