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社区首页 >专栏 >银行家算法的C++实现 - 计算机操作系统

银行家算法的C++实现 - 计算机操作系统

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泰坦HW
修改2021-09-08 11:00:21
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修改2021-09-08 11:00:21
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文章被收录于专栏:Titan笔记Titan笔记

银行家算法

介绍

概念

​ 银行家算法(Banker’s Algorithm)是一个避免死锁(Deadlock)的著名算法,是由艾兹格·迪杰斯特拉在1965年为T.H.E系统设计的一种避免死锁产生的算法。它以银行借贷系统的分配策略为基础,判断并保证系统的安全运行。

​ 在银行中,客户申请贷款的数量是有限的,每个客户在第一次申请贷款时要声明完成该项目所需的最大资金量,在满足所有贷款要求时,客户应及时归还。银行家在客户申请的贷款数量不超过自己拥有的最大值时,都应尽量满足客户的需要。在这样的描述中,银行家就好比操作系统,资金就是资源,客户就相当于要申请资源的进程。

​ 银行家算法是一种最有代表性的避免死锁的算法。在避免死锁方法中允许进程动态地申请资源,但系统在进行资源分配之前,应先计算此次分配资源的安全性,若分配不会导致系统进入不安全状态,则分配,否则等待。为实现银行家算法,系统必须设置若干数据结构。

银行家算法中的数据结构

为了实现银行家算法,在系统中必须设置这样四个数据结构,分别用来描述系统中可利用的资源、所有进程对资源的最大需求、系统中的资源分配,以及所有进程还需要多少资源的情况。

  • 可利用资源向量 Available:这是一个含有 m 个元素的数组,其中的每一个元素代表一类可利用的资源数目,其初始值是系统中所配置的该类全部可用资源的数目,其数值随该类资源的分配和回收而动态地改变。如果 Available[j] = K,则表示系统中现Rj类资源K个。
  • 最大需求矩阵Max:这是一个n x m的矩阵,它定义了系统中n个进程中的每个进程对m类资源的最大需求。如果Max[i,j] = K,则表示进程i需要Rj 类资源的最大数目为K。
  • 分配矩阵 Allocation:这也是一个n x m的矩阵,它定义了系统中每一类资源当前已分配给每一进程的资源数。如果 Allocation[i,jl = K,则表示进程i当前己分得Rj类资源的数目为K。
  • 需求矩阵Need:这也是一个n × m的矩阵,用以表示每一个进程尚需的各类资源数。如果Need[i,j] = K,则表示进程i还需要Rj类资源K个方能完成其任务。

上述三个矩阵间存在下述关系: Need[i,j] = Max[i,j] - Allocation[i, j]

银行家算法详述:

设 Request;是进程Pi的请求向量,如果 Requesti[j] = K,表示进程Pi需要K个Rj类型的资源。当Pi发出资源请求后,系统按下述步骤进行检査:

  1. 如果 Requesti[j] ≤ Need[i,j]便转向步骤2 否则认为出错,因为它所需要的资源数已超过它所事先声明需要的最大值。
  2. 如果 Requesti[j] ≤ Available[j],便转向步骤3;否则,表示尚无足够资源,Pi须等待。
  3. 系统试探着把资源分配给进程Pi,并修改下面数据结构中的数值Available[j] = Available[j] - Requesti[j]; Allocation[i,j] = Allocation[i,j] + Requesti[j]; Need[i,j] = Need[i,j] - Requesti[j];
  4. 系统执行安全性算法,检查此次资源分配后系统是否处于安全状态。若安全,才正式将资源分配给进程Pi,以完成本次分配;否则,将本次的试探分配作废,恢复原来的资源分配状态,让进程Pi等待

安全性算法

系统所执行的安全性算法可描述如下:

  1. 设置两个向量:
    • 工作向量Work,它表示系统可提供给进程继续运行所需的各类资源数目,它含有m个元素,在执行安全算法开始时,Work = Available;
    • Finish:它表示系统是否有足够的资源分配给进程,使之运行完成。开始时先做 Finish[i] = false;当有足够资源分配给进程时,再令Finish[i] = true。
  2. 从进程集合中找到一个能满足下述条件的进程① Finish[i] = false; ② Need[i,j] ≤ Work[j]; 若找到,执行步骤3,否则,执行步骤4。
  3. 当进程Pi获得资源后,可顺利执行,直至完成,并释放出分配给它的资源,故应执行:Work[j] = Work[j] + Allocation[i,j]; Finish[i] = true; go to step 2;
  4. 如果所有进程的 Finish[i] =true都满足,则表示系统处于安全状态;否则,系统处于不安全状态。

代码

C++的银行家算法的具体实现代码(By Titan)

代码语言:javascript
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#include<iostream>
#define MAX 100
using namespace std;
int totalResource,totalProcess;
int Max[MAX][MAX]; // 最大需求矩阵max
int Allocation[MAX][MAX]; // 分配矩阵
int Need[MAX][MAX]; // 最多还需要资源矩阵
int Available[MAX]; // 可用资源向量

void inputMaxMartix() {
    cout << "请输入Max矩阵的数据:" << endl;
    for(int i=0; i<totalProcess; i++) {
        for(int j=0; j<totalResource; j++) {
            cin >> Max[i][j];
        }
    }
}

void inputAllocationMartix() {
    cout << "请输入Allocation矩阵的数据:" << endl;
    for(int i=0; i<totalProcess; i++) {
        for(int j=0; j<totalResource; j++) {
            cin >> Allocation[i][j];
        }
    }
}
void inputAvailable() {
    cout << "请输入Available资源向量" << endl;
    for(int i=0; i<totalResource; i++) {
        cin >> Available[i];
    }
}
// 通过Max矩阵和Allocation矩阵的数据来计算Need矩阵
void calculateNeed() {
    for(int i=0; i<totalProcess; i++) {
        for(int j=0; j<totalResource; j++) {
            Need[i][j]=Max[i][j]-Allocation[i][j];
        }
    }
}
// 输出当前数据
void print() {
    cout << "当前资源分配情况:" << endl;
    cout << "进程ID" <<  "\t\t" << "Max" <<  "\t\t" << "Allocation" <<  "\t\t" << "Need" << endl;
    for(int i=0; i<totalProcess; i++) {
        cout << i <<  "\t\t\t";
        for(int j=0; j<totalResource; j++) {
            cout << Max[i][j] << " ";
        }
        cout <<  "\t\t\t";
        for(int j=0; j<totalResource; j++) {
            cout << Allocation[i][j] << " ";
        }
        cout <<  "\t\t\t";
        for(int j=0; j<totalResource; j++) {
            cout << Need[i][j] << " ";
        }
        cout << endl;
    }
    cout << "各类资源可用数量:" << endl;
    for(int i=0; i<totalResource; i++) {
        cout << Available[i] << " ";
    }
    cout << endl;
}

//安全性检查函数 
bool check() {
    int safeSeq[totalProcess];
    int work[totalResource];
    int count = 0; // 安全序列Cursor;
    bool finish[totalProcess];
    for(int i=0; i<totalProcess; i++) {
        safeSeq[i] = 0;
        finish[i] = false;
    }

    for(int i=0; i<totalResource; i++) {
        work[i] = Available[i];
    }
    int unfinished = totalProcess;
    bool flag;
    do {
        for(int i=0; i<totalProcess; i++) {
            if(finish[i] == false) {
                flag = true;
                for(int j=0; j<totalResource; j++) {
                    if(Need[i][j] > work[j]) {
                        flag = false;
                        break;
                    }
                }
                if(flag) {
                    finish[i] = true;
                    safeSeq[count++] = i;
                    for(int j=0; j<totalResource; j++) {
                        work[j] += Allocation[i][j];
                    }
                }
            }

        }
        unfinished--;

    } while(unfinished>0);
    flag = true;
    // 判断是否所有进程都完成
    for(int i=0; i<totalProcess; i++) {
        if(finish[i]==false) {
            flag=false;
            break;
        }
    }
    // 判断是否安全
    if(flag==false) {
        cout << "系统处于不安全状态!" << endl;
    } else {
        cout << "系统当前为安全状态,安全序列为:" << endl;
        for(int i=0; i<totalProcess; i++) {
            cout << safeSeq[i] << " ";
        }
        cout << endl;
    }
    return flag;
}

void handleRequest() {
    int requestPid;
    int request[totalResource];
    int snapShotOfAvailable[totalResource];
    int snapShotOfAllocation[totalResource];
    int snapShotOfNeed[totalResource];

    cout << "请输入请求资源的ID:" << endl;
    cin >> requestPid;
    cout << "请输入请求向量Request:" << endl;
    for(int i=0; i<totalResource; i++) {
        cin >> request[i];
    }
    for(int i=0; i<totalResource; i++) {
        if(request[i] > Need[requestPid][i]) {
            cout << "请求资源数大于需要数量,分配失败" <<endl;
            return;
        }
        if(request[i] > Available[i]) {
            cout << "可用资源不足,分配失败" << endl;
            return;
        }
    }

    // 尝试分配
    for(int i=0; i<totalResource; i++) {
        //保存快照
        snapShotOfAvailable[i] = Available[i];
        snapShotOfAllocation[i] = Allocation[requestPid][i];
        snapShotOfNeed[i] = Need[requestPid][i];
        // 进行尝试分配
        Available[i] -= request[i];
        Allocation[requestPid][i] += request[i];
        Need[requestPid][i] -= request[i];
    }
    // 打印当前资源情况
    print();
    if(check() == false) { // 不安全,返回分配
        // 恢复快照
        for(int i=0; i<totalResource; i++) {
            // 进行尝试分配
            Available[i] = snapShotOfAvailable[i];
            Allocation[requestPid][i] = snapShotOfAllocation[i];
            Need[requestPid][i] -= snapShotOfNeed[i];
        }
    }

}
int main() {
    cout << "请输入进程数量:" << endl;
    cin >> totalProcess;
    cout << "请输入资源种类数量:" << endl;
    cin >> totalResource;

    inputMaxMartix();
    inputAllocationMartix();
    inputAvailable();
    calculateNeed();
    print();
    check();
    while(true){
        char signal;
        handleRequest();
        cout << "输入Y继续,输入N退出" << endl;
        cin >>  signal;
        if(signal == 'N'){
            return 0;
        }
    }
}

原创声明:本文系作者授权腾讯云开发者社区发表,未经许可,不得转载。

如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

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