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银行家算法

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海盗船长
发布2022-05-05 17:08:33
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发布2022-05-05 17:08:33
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文章被收录于专栏:基础知识文章基础知识文章

什么是银行家算法

银行家算法是一种用来避免操作系统死锁出现的有效算法。

死锁

死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中,由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象,若无外力作用,它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁,这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

死锁产生的四个必要条件:

1) 互斥条件:在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源,则请求者只能等待,直至占有资源的进程用毕释放。 2) 请求和保持条件:指进程已经保持至少一个资源,但又提出了新的资源请求,而该资源已被其它进程占有,此时请求进程阻塞,但又对自己已获得的其它资源保持不放。 3) 不可剥夺条件:指进程已获得的资源,在未使用完之前,不能被剥夺,只能在使用完时由自己释放。 4) 循环等待条件:指在发生死锁时,必然存在一个进程—资源的环形链,即进程集合{P0,P1,P2,···,Pn}中的P0正在等待一个P1占用的资源;P1正在等待P2占用的资源,……,Pn正在等待已被P0占用的资源。

安全序列:

是指一个进程序列{P1,…,Pn}是安全的,即对于每一个进程Pi(1≤i≤n),它以后尚需要的资源量不超过系统当前剩余资源量与所有进程Pj (j < i )当前占有资源量之和。

安全状态:

如果存在一个由系统中所有进程构成的安全序列P1,…,Pn,则系统处于安全状态。安全状态一定是没有死锁发生。

不安全状态:

不存在一个安全序列。不安全状态不一定导致死锁。

银行家算法实现的数据结构:

1)可利用资源向量Available 是个含有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。如果Available[j]=K,则表示系统中现有Rj类资源K个。 2)最大需求矩阵Max 这是一个n×m的矩阵,它定义了系统中n个进程中的每一个进程对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。 3)分配矩阵Allocation 这也是一个n×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,j]=K,则表示进程i当前已分得Rj类资源的 数目为K。 4)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。 下面是三者之间的关系: Need[i,j]=Max[i,j]-Allocation[i,j]

两个向量:

1)工作向量Work:表示系统可提供给进程继续运行所需的各类资源数目,安全算法开始时,Work:=Available。 2)Finish[]:表示系统是否有足够的资源分配给进程,使之运行完成。开始时先令Finish[i]:=false,当有足够资源分配给进程时,再令Finish[i]:=true。

银行家算法:

设Request(i)是进程Pi的请求向量,如果Request(i)[j]=k,表示进程Pi需要K个R(j)类型的资源。当Pi发现资源请求后系统将进行下列步骤:

  1. 如果Request(i)[j] <= Need[i,j],边转向步骤2),否则认为出错,因为它所请求的资源数已超过它所宣布的最大值。
  2. 如果Request(i)[j] <= Available[i,j],便转向步骤3),否则,表示尚无足够资源,Pi需等待。
  3. 系统试探着把资源分配给进程Pi,并需要修改下面数据结构中的数值; Available[j] = Available[j] - Request(i)[j]; Allocation[i,j] = Allocation[i,j] + Request(i)[j]; Need[i,j] = Need[i,j] - Request(i)[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。
代码语言:javascript
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#include<stdio.h>
#include<iostream>
using namespace std;
#define resourceNum 3
#define processNum  5

//系统可用(剩余)资源
int available[resourceNum] = { 3, 3, 2 };
//进程的最大需求
int maxRequest[processNum][resourceNum] = { { 7, 5, 3 }, { 3, 2, 2 }, { 9, 0, 2 }, { 2, 2, 2 }, { 4, 3, 3 } };
//进程已经占有(分配)资源
int allocation[processNum][resourceNum] = { { 0, 1, 0 }, { 2, 0, 0 }, { 3, 0, 2 }, { 2, 1, 1 }, { 0, 0, 2 } };
//进程还需要资源
int need[processNum][resourceNum] = { { 7, 4, 3 }, { 1, 2, 2 }, { 6, 0, 0 }, { 0, 1, 1 }, { 4, 3, 1 } };
//是否安全
bool Finish[processNum];
//安全序列号
int safeSeries[processNum] = { 0, 0, 0, 0, 0 };
//进程请求资源量
int request[resourceNum];
//资源数量计数
int num;

//打印输出系统信息
void showInfo()
{
	printf("\n------------------------------------------------------------------------------------\n");
	printf("当前系统各类资源剩余:");
	for (int j = 0; j < resourceNum; j++)
	{
		printf("%d ", available[j]);
	}
	printf("\n\n当前系统资源情况:\n");
	printf(" PID\t Max\t\tAllocation\t Need\n");
	for (int i = 0; i < processNum; i++)
	{
		printf(" P%d\t", i);
		for (int j = 0; j < resourceNum; j++)
		{
			printf("%2d", maxRequest[i][j]);
		}
		printf("\t\t");
		for (int j = 0; j < resourceNum; j++)
		{
			printf("%2d", allocation[i][j]);
		}
		printf("\t\t");
		for (int j = 0; j < resourceNum; j++)
		{
			printf("%2d", need[i][j]);
		}
		printf("\n");
	}
}

//打印安全检查信息
void SafeInfo(int *work, int i)
{
	int j;
	printf(" P%d\t", i);
	for (j = 0; j < resourceNum; j++)
	{
		printf("%2d", work[j]);
	}
	printf("\t\t");
	for (j = 0; j < resourceNum; j++)
	{
		printf("%2d", allocation[i][j]);
	}
	printf("\t\t");
	for (j = 0; j < resourceNum; j++)
	{
		printf("%2d", need[i][j]);
	}
	printf("\t\t");
	for (j = 0; j < resourceNum; j++)
	{
		printf("%2d", allocation[i][j] + work[j]);
	}
	printf("\n");
}

//判断一个进程的资源是否全为零
bool isAllZero(int kang)
{
	num = 0;
	for (int i = 0; i < resourceNum; i++)
	{
		if (need[kang][i] == 0)
		{
			num++;
		}
	}
	if (num == resourceNum)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}
}

//安全检查
bool isSafe()
{
	//int resourceNumFinish = 0;
	int safeIndex = 0;
	int allFinish = 0;
	int work[resourceNum] = { 0 };
	int r = 0;
	int temp = 0;
	int pNum = 0;
	//预分配为了保护available[]
	for (int i = 0; i < resourceNum; i++)
	{
		work[i] = available[i];
	}
	//把未完成进程置为false
	for (int i = 0; i < processNum; i++)
	{
		bool result = isAllZero(i);
		if (result == true)
		{
			Finish[i] = true;
			allFinish++;
		}
		else
		{
			Finish[i] = false;
		}

	}
	//预分配开始
	while (allFinish != processNum)
	{
		num = 0;
		for (int i = 0; i < resourceNum; i++)
		{
			if (need[r][i] <= work[i] && Finish[r] == false)
			{
				num++;
			}
		}
		if (num == resourceNum)
		{
			for (int i = 0; i < resourceNum; i++)
			{
				work[i] = work[i] + allocation[r][i];
			}
			allFinish++;
			SafeInfo(work, r);
			safeSeries[safeIndex] = r;
			safeIndex++;
			Finish[r] = true;
		}
		r++;//该式必须在此处	
		if (r >= processNum)
		{
			r = r % processNum;
			if (temp == allFinish)
			{
				break;
			}
			temp = allFinish;
		}
		pNum = allFinish;
	}
	//判断系统是否安全
	for (int i = 0; i < processNum; i++)
	{
		if (Finish[i] == false)
		{
			printf("\n当前系统不安全!\n\n");
			return false;
		}
	}
	//打印安全序列
	printf("\n当前系统安全!\n\n安全序列为:");
	for (int i = 0; i < processNum; i++)
	{
		bool result = isAllZero(i);
		if (result == true)
		{
			pNum--;
		}
	}
	for (int i = 0; i < pNum; i++)
	{
		printf("%d ", safeSeries[i]);
	}
	return true;
}

//主函数
void main()
{
	int curProcess = 0;
	int a = -1;
	showInfo();
	printf("\n系统安全情况分析\n");
	printf(" PID\t Work\t\tAllocation\t Need\t\tWork+Allocation\n");
	bool isStart = isSafe();
	//用户输入或者预设系统资源分配合理才能继续进行进程分配工作
	while (isStart)
	{
		//限制用户输入,以防用户输入大于进程数量的数字,以及输入其他字符(乱输是不允许的)
		do
		{
			if (curProcess >= processNum || a == 0)
			{
				printf("\n请不要输入超出进程数量的值或者其他字符:\n");
				while (getchar() != '\n'){};//清空缓冲区	
				a = -1;
			}
			printf("\n------------------------------------------------------------------------------------\n");
			printf("\n输入要分配的进程:");
			a = scanf("%d", &curProcess);
			printf("\n");

		} while (curProcess >= processNum || a == 0);

		//限制用户输入,此处只接受数字,以防用户输入其他字符(乱输是不允许的)
		for (int i = 0; i < resourceNum; i++)
		{
			do
			{
				if (a == 0)
				{
					printf("\n请不要输入除数字以外的其他字符,请重新输入:\n");
					while (getchar() != '\n'){};//清空缓冲区	
					a = -1;
				}
				printf("请输入要分配给进程 P%d 的第 %d 类资源:", curProcess, i + 1);
				a = scanf("%d", &request[i]);
			} while (a == 0);
		}

		//判断用户输入的分配是否合理,如果合理,开始进行预分配
		num = 0;
		for (int i = 0; i < resourceNum; i++)
		{
			if (request[i] <= need[curProcess][i] && request[i] <= available[i])
			{
				num++;
			}
			else
			{
				printf("\n发生错误!可能原因如下:\n(1)您请求分配的资源可能大于该进程的某些资源的最大需要!\n(2)系统所剩的资源已经不足了!\n");
				break;
			}
		}
		if (num == resourceNum)
		{
			num = 0;
			for (int j = 0; j < resourceNum; j++)
			{
				//分配资源
				available[j] = available[j] - request[j];
				allocation[curProcess][j] = allocation[curProcess][j] + request[j];
				need[curProcess][j] = need[curProcess][j] - request[j];
				//记录分配以后,是否该进程需要值为0了
				if (need[curProcess][j] == 0)
				{
					num++;
				}
			}
			//如果分配以后出现该进程对所有资源的需求为0了,即刻释放该进程占用资源(视为完成)
			if (num == resourceNum)
			{
				//释放已完成资源
				for (int i = 0; i < resourceNum; i++)
				{
					available[i] = available[i] + allocation[curProcess][i];
				}
				printf("\n\n本次分配进程 P%d 完成,该进程占用资源全部释放完毕!\n", curProcess);
			}
			else
			{
				//资源分配可以不用一次性满足进程需求
				printf("\n\n本次分配进程 P%d 未完成!\n", curProcess);
			}

			showInfo();
			printf("\n系统安全情况分析\n");
			printf(" PID\t Work\t\tAllocation\t Need\t\tWork+Allocation\n");

			//预分配完成以后,判断该系统是否安全,若安全,则可继续进行分配,若不安全,将已经分配的资源换回来
			if (!isSafe())
			{
				for (int j = 0; j < resourceNum; j++)
				{
					available[j] = available[j] + request[j];
					allocation[curProcess][j] = allocation[curProcess][j] - request[j];
					need[curProcess][j] = need[curProcess][j] + request[j];
				}
				printf("资源不足,等待中...\n\n分配失败!\n");
			}
		}
	}
}
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原始发表:2020-03-16,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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  • 什么是银行家算法
  • 死锁
    • 死锁产生的四个必要条件:
    • 安全序列:
      • 安全状态:
        • 不安全状态:
        • 银行家算法实现的数据结构:
          • 两个向量:
          • 银行家算法:
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