面试题：并发与同步：死锁恢复时针对共享资源的数据保护策略设计

Question

假设存在一个多线程应用场景，涉及多个线程对共享资源的竞争使用，且可能出现死锁。当死锁发生并进行恢复时，如何设计一套数据保护策略，既能有效恢复死锁，又能保障共享资源数据的完整性和正确性？请详细描述策略及实现思路。

Answer 1

数据保护策略

1. 死锁检测：
   • 资源分配图算法：构建资源分配图，定期检查图中是否存在环，若存在环则表示可能发生死锁。每个线程作为图的节点，资源也作为节点，线程对资源的请求和占有关系用有向边表示。
   • 超时检测：为每个线程获取共享资源设置一个超时时间。若线程在规定时间内未能获取到所需资源，则认为可能发生死锁。
2. 死锁恢复：
   • 抢占资源：选择一个或多个线程，剥夺它们已经占有的部分或全部资源，分配给其他线程，以打破死锁环。选择被剥夺资源的线程时，优先考虑代价最小的线程，例如已运行时间较短、剩余任务较简单的线程。
   • 终止线程：直接终止一个或多个死锁线程，释放它们占有的资源。同样，优先选择终止对整体系统影响较小的线程。
3. 数据完整性保障：
   • 事务机制：将对共享资源的操作封装成事务。在事务开始时，记录共享资源的初始状态（如通过快照）。如果因为死锁恢复导致事务回滚，可以根据初始状态恢复共享资源的数据，确保数据完整性。
   • 日志记录：在对共享资源进行操作时，记录详细的操作日志。日志内容包括操作类型、操作数据、操作线程等信息。当需要恢复数据时，根据日志进行重做或回滚操作。
   • 锁机制优化：采用更细粒度的锁，减少线程之间的锁竞争范围。例如，将对一个大对象的锁，细化为对对象内部不同属性的锁。同时，为锁设置获取顺序，所有线程按照相同顺序获取锁，避免死锁发生。

实现思路

1. 死锁检测实现：
   • 资源分配图算法：在代码中维护一个资源分配图的数据结构，例如使用邻接表表示图。每个线程请求或释放资源时，相应更新图结构。定期调用检测环的算法（如深度优先搜索）检查图中是否存在环。
   • 超时检测：为每个线程获取资源的操作设置一个定时器。当线程开始请求资源时，启动定时器。若定时器超时，线程未获取到资源，则触发死锁处理流程。
2. 死锁恢复实现：
   • 抢占资源：在资源分配模块中，添加抢占逻辑。当检测到死锁时，遍历死锁线程列表，根据代价评估选择需要抢占资源的线程。通过调用资源释放接口，获取该线程占有的资源，并重新分配给其他线程。
   • 终止线程：利用操作系统提供的线程终止接口（如pthread_cancel在POSIX系统中），终止选定的死锁线程。在终止线程后，确保释放该线程占有的所有资源。
3. 数据完整性保障实现：
   • 事务机制：创建一个事务管理类，封装事务的开始、提交和回滚操作。在事务开始时，对共享资源进行快照。在事务提交时，检查共享资源状态是否符合预期，若符合则提交，否则回滚到快照状态。
   • 日志记录：设计一个日志记录类，负责记录共享资源的操作日志。在对共享资源进行读写操作前后，调用日志记录类的相应方法记录操作信息。在数据恢复时，解析日志文件，根据日志内容进行操作。
   • 锁机制优化：对共享资源进行分析，将其划分为更小的部分，为每个部分分配独立的锁。在代码中，确保所有线程按照规定顺序获取锁，例如通过全局的锁获取顺序表。