面试题：并发与同步：复杂场景下死锁避免及资源利用率优化

Question

假设在一个具有动态资源添加与移除、进程动态创建与销毁的复杂分布式系统环境中，现有的死锁避免算法面临挑战。请你设计一种新的机制，既能有效避免死锁，又能在这种复杂环境下最大化资源利用率，详细说明该机制的设计思路、数据结构以及关键算法流程。

Answer 1

设计思路

1. 资源分配状态监测：实时跟踪系统中资源的分配和进程对资源的请求状态，以便及时发现潜在的死锁风险。
2. 基于优先级的资源分配：根据进程的优先级来分配资源，高优先级进程优先获取资源，确保重要任务的执行。同时，对于低优先级进程，在不影响系统整体死锁避免的前提下，合理分配资源以提高资源利用率。
3. 动态调整策略：随着资源的添加与移除、进程的创建与销毁，动态调整资源分配策略和死锁避免机制，使其适应系统的变化。

数据结构

1. 资源表（Resource Table）：
   • 记录每种资源的总量和当前可用量。
   • 例如：

   resource_table = {
       "resource1": {"total": 10, "available": 5},
       "resource2": {"total": 5, "available": 2}
   }
   

2. 进程表（Process Table）：
   • 记录每个进程的ID、优先级、已分配的资源列表和请求的资源列表。
   • 例如：

   process_table = {
       "process1": {"priority": 3, "allocated": ["resource1"], "requested": ["resource2"]},
       "process2": {"priority": 1, "allocated": [], "requested": ["resource1"]}
   }
   

3. 等待队列（Wait Queue）：
   • 用于存储因资源不足而等待的进程，按照优先级排序。

关键算法流程

1. 资源请求处理：
   • 当一个进程请求资源时，首先检查资源表中相应资源的可用量是否满足请求。
   • 如果满足，进一步检查分配资源后是否会导致死锁。可以使用银行家算法的变种来检查安全性，即假设分配资源后，系统是否存在一种资源分配顺序能使所有进程都顺利完成。
   • 如果分配资源后系统仍安全，则将资源分配给该进程，更新资源表和进程表。
   • 如果资源不足，将该进程加入等待队列。
2. 资源释放处理：
   • 当一个进程释放资源时，更新资源表中相应资源的可用量。
   • 从等待队列中查找优先级最高且能满足资源请求的进程，尝试分配资源并重复资源请求处理中的安全性检查，若安全则分配资源并将该进程从等待队列中移除。
3. 进程创建与销毁处理：
   • 进程创建时，根据其优先级和初始资源请求加入进程表，并按照资源请求处理流程尝试分配资源。
   • 进程销毁时，释放其所有已分配的资源，然后按照资源释放处理流程更新系统状态。
4. 动态资源添加与移除处理：
   • 资源添加时，更新资源表中相应资源的总量和可用量，然后尝试从等待队列中分配资源给等待的进程。
   • 资源移除时，检查是否有进程正在使用该资源。若有，则终止使用该资源的进程（可根据优先级选择合适的处理方式，如先暂停优先级低的进程），释放资源后更新资源表，并重新评估系统状态，处理等待队列中的进程。