面试题：并发与同步：复杂系统下死锁预防的权衡与优化

Question

在一个多资源、多进程并发执行的复杂系统中，资源分配图算法常用于检测死锁。但该算法存在一定开销，若要在系统级设计中平衡死锁检测的准确性与系统性能，你会考虑哪些因素并采取怎样的优化策略？

Answer 1

考虑因素

1. 资源特性：不同资源的使用频率、分配模式。例如，一些资源可能长期被特定进程占用，而有些资源则频繁被多个进程交替使用。了解这些特性有助于判断死锁发生的可能性以及死锁对系统的影响程度。
2. 进程行为：进程请求资源的顺序、持有资源的时长、进程间的依赖关系。例如，某些进程按照固定顺序请求资源，若这种顺序不合理可能导致死锁；进程长时间持有资源会增加死锁风险。
3. 系统负载：系统中进程的数量、资源的繁忙程度。高负载时死锁检测开销对性能影响更大，且死锁发生概率可能更高。

优化策略

1. 定期检测与阈值触发相结合
   • 定期检测：设定一个合适的时间间隔进行死锁检测，避免检测过于频繁影响性能。比如，对于负载相对稳定的系统，每10分钟进行一次死锁检测。
   • 阈值触发：设置资源使用或进程等待相关的阈值，当达到阈值时立即进行死锁检测。例如，当系统资源利用率超过80%，或者某个进程等待资源时间超过5分钟时触发检测。
2. 分层检测
   • 粗粒度检测：先对资源进行分组，检测组间是否存在死锁可能，快速排除无死锁的部分，缩小检测范围。例如，将系统资源按功能分为网络资源组、存储资源组等，先检测组间的资源依赖关系。
   • 细粒度检测：对粗粒度检测发现可能存在死锁的部分，再进行详细的资源分配图算法检测，提高准确性。
3. 死锁预防与检测结合
   • 死锁预防：在进程请求资源阶段，通过资源分配策略避免死锁产生。例如采用资源分配图算法中的破坏死锁的四个必要条件（互斥、占有并等待、不可剥夺、循环等待）的方法。如规定进程一次性请求所有需要的资源，避免占有并等待情况。
   • 死锁检测：对于无法通过预防策略完全避免死锁的复杂情况，再使用资源分配图算法进行检测，平衡性能与准确性。
4. 启发式算法优化
   • 基于历史数据：记录系统过去发生死锁的场景和相关资源、进程信息，分析模式，在检测时优先关注类似场景，提高检测效率。例如，如果过去在某几个进程同时请求特定资源时经常发生死锁，检测时优先检查这些进程和资源的状态。
   • 优先级排序：根据资源和进程对系统的重要性进行优先级排序，优先检测高优先级资源和进程相关的死锁情况，减少对关键业务的影响。例如，对于实时业务相关的进程和资源优先检测。