并行与分布式系统中的分布式死锁检测：扩散计算（Diffusing Computation）算法 题目描述 在分布式系统中，多个进程可能因竞争资源而形成死锁（例如，进程A等待进程B释放资源，同时进程B又等待进程A释放资源）。扩散计算算法是一种通过消息传递在分布式环境中检测死锁的方法，适用于资源分配图（Resource Allocation Graph, RAG）的模型。该算法要求每个进程主动参与检测过程，通过局部信息交换逐步“扩散”查询，最终确定系统中是否存在死锁环。算法的核心挑战是如何在避免全局状态同步的前提下高效完成检测。 解题过程 假设系统由多个进程组成，每个进程可能持有某些资源并等待其他进程释放资源。算法基于以下规则运行： 初始化阶段 每个进程维护一个本地状态，包括： 自身是否处于等待资源的状态（即是否为死锁环的潜在节点）。 一个唯一的进程标识符（ID），用于区分不同进程。 当进程因等待资源而阻塞时，它可能发起死锁检测（例如，等待超时后自动触发）。 扩散查询的发起与传播 假设进程 \( P_ i \) 怀疑自己可能陷入死锁，它会创建一个查询消息（Query），消息中包含： 发起者ID（即 \( P_ i \) 的ID）。 当前时间戳或序列号（用于区分同一发起者的多次查询）。 \( P_ i \) 将此查询发送给所有它正在等待的进程（即资源分配图中 \( P_ i \) 的出边指向的进程）。 当进程 \( P_ j \) 收到查询时： 若 \( P_ j \) 自己处于等待状态，且未处理过相同发起者的此查询，则 \( P_ j \) 将查询转发给所有它正在等待的进程（扩散步骤）。 若 \( P_ j \) 未处于等待状态（即它不阻塞），则忽略查询（因为死锁环不可能包含非等待进程）。 若 \( P_ j \) 就是查询的发起者 \( P_ i \)，则说明死锁环形成（因为查询回到了起点）。 死锁判定与响应 如果查询消息经过一系列转发后返回到发起进程 \( P_ i \)，则 \( P_ i \) 确认死锁存在。 为避免误判（如因网络延迟导致重复查询），每个进程需记录已处理的查询ID（发起者ID + 序列号），确保同一查询不被重复处理。 死锁确认后，系统可通过终止某个进程或强制释放资源来解除死锁（此部分属于解决策略，非检测算法核心）。 示例说明 假设进程 \( P_ 1 \) 等待 \( P_ 2 \) 的资源，\( P_ 2 \) 等待 \( P_ 3 \) 的资源，\( P_ 3 \) 等待 \( P_ 1 \) 的资源（形成环）： \( P_ 1 \) 发起查询，发送给 \( P_ 2 \)。 \( P_ 2 \) 转发查询给 \( P_ 3 \)。 \( P_ 3 \) 转发查询给 \( P_ 1 \)。 \( P_ 1 \) 收到自己发起的查询，确认死锁。 关键特性 分布式性 ：无需全局控制器，各进程仅依赖本地状态和邻居通信。 容错性 ：若查询在传播过程中因进程失败而丢失，发起者可能超时后重新发起。 效率 ：消息复杂度与死锁环的长度相关，最坏情况下可能遍历整个资源分配图。 通过这种渐进式的扩散机制，算法在保证正确性的同时，降低了分布式死锁检测的复杂度。