面试题：并发与同步之极端死锁场景的高效应对技术

Question

考虑一种极端复杂的操作系统并发场景，其中包含多种类型的资源（可重用资源、消耗性资源等），并且进程之间存在多层次的资源依赖关系，同时系统还要满足实时性要求。请设计一套完整的死锁检测与应对机制，确保在满足实时性的前提下，能快速准确地检测并解决死锁问题，同时阐述该机制在高负载、资源紧张情况下的性能表现及优化方向。

Answer 1

死锁检测机制设计

1. 资源分配图算法（RAG）：
   • 构建资源分配图，图中节点分为进程节点和资源节点。进程节点通过请求边指向资源节点，表示进程请求该资源；资源节点通过分配边指向进程节点，表示该资源已分配给该进程。
   • 周期性（根据实时性要求设定合适周期）执行深度优先搜索（DFS）遍历资源分配图。若在遍历过程中发现环，则表明存在死锁。例如，进程 P1 请求资源 R1，R1 已分配给 P2，P2 又请求资源 R2，R2 已分配给 P1，形成环，即死锁。
2. 时间戳机制：
   • 为每个进程和资源分配唯一时间戳。每次资源请求时，记录请求时间。
   • 当检测到可能的死锁环（通过 RAG 检测到环）时，比较环中进程和资源的时间戳。例如，若进程 P1 请求资源 R1，而 R1 当前被 P2 占用，且 P1 的时间戳小于 P2（表示 P1 比 P2 更早启动），则认为 P2 可能导致死锁。

死锁应对机制设计

1. 进程回滚：
   • 当检测到死锁后，选择死锁环中时间戳最早的进程（即启动最早的进程）进行回滚。回滚到该进程最近一次成功分配资源之前的状态，释放其占用的所有资源。例如，若 P1 是时间戳最早的进程，回滚 P1 到上一个资源分配点，释放 P1 占用的资源 R3。
   • 通知相关进程资源已释放，允许它们重新请求资源。
2. 抢占资源：
   • 对于一些可抢占资源（如 CPU 时间片），直接从死锁环中的进程抢占资源分配给其他进程。例如，若死锁环中有进程 P1、P2、P3，且 P1 占用了可抢占资源 R4，将 R4 从 P1 抢占出来分配给 P2 或 P3 以打破死锁。
   • 对于不可抢占资源，标记该资源为不可用，等待占用该资源的进程执行完毕释放资源，同时调整资源分配图。

性能表现

1. 高负载情况下：
   • 检测性能：由于高负载时进程和资源数量众多，RAG 遍历时间会增加，导致死锁检测时间变长。但通过时间戳机制可以快速筛选出可能导致死锁的关键进程，一定程度上缓解检测压力。
   • 应对性能：进程回滚和资源抢占操作会增加系统开销，因为回滚需要恢复进程状态，抢占可能影响进程执行连续性。但由于选择时间戳最早的进程回滚，能相对减少回滚的影响范围。
2. 资源紧张情况下：
   • 检测性能：资源紧张时资源请求频繁，RAG 更新频繁，死锁检测可能需要更频繁执行，增加系统开销。但时间戳机制可帮助快速定位死锁环。
   • 应对性能：由于资源紧张，进程回滚释放的资源可能不足以打破所有死锁环，可能需要多次回滚或抢占操作，增加系统处理时间。

优化方向

1. 检测优化：
   • 分布式检测：将系统划分为多个区域，每个区域独立执行死锁检测，最后汇总结果。例如，在大型集群系统中，每个节点负责自身区域的检测，减少单个检测任务的规模。
   • 增量检测：只在资源分配或请求发生变化时，更新资源分配图并进行局部检测，而不是每次都全局遍历。
2. 应对优化：
   • 智能回滚：不仅仅根据时间戳选择回滚进程，还综合考虑进程优先级、已执行任务量等因素。例如，高优先级进程尽量避免回滚，选择已执行任务量少的进程回滚。
   • 资源预分配：在系统初始化或进程启动时，根据进程资源需求进行预分配，减少运行时资源请求冲突导致的死锁。