計算機作業系統_銀行家演算法
阿新 • • 發佈：2018-12-21
銀行家演算法
什麼是銀行家演算法?
銀行家演算法（Banker’s Algorithm）是一個避免死鎖（Deadlock）的著名演算法，是由艾茲格·迪傑斯特拉在1965年為T.H.E系統設計的一種避免死鎖產生的演算法。它以銀行借貸系統的分配策略為基礎，判斷並保證系統的安全執行。
在銀行中，客戶申請貸款的數量是有限的，每個客戶在第一次申請貸款時要宣告完成該專案所需的最大資金量，在滿足所有貸款要求時，客戶應及時歸還。銀行家在客戶申請的貸款數量不超過自己擁有的最大值時，都應儘量滿足客戶的需要。在這樣的描述中，銀行家就好比作業系統，資金就是資源，客戶就相當於要申請資源的程序。
銀行家演算法是一種最有代表性的避免死鎖的演算法。在避免死鎖方法中允許程序動態地申請資源，但系統在進行資源分配之前，應先計算此次分配資源的安全性，若分配不會導致系統進入不安全狀態，則分配，否則等待。為實現銀行家演算法，系統必須設定若干資料結構。
銀行家演算法中的資料結構
為了實現銀行家演算法，在系統中必須設定這樣四個資料結構，分別用來描述系統中可利用的資源、所有程序對資源的最大需求、系統中的資源分配，以及所有程序還需要多少資源的情況。
(1) 可利用資源向量 Available。這是一個含有 m 個元素的陣列，其中的每一個元素代表一類可利用的資源數目，其初始值是系統中所配置的該類全部可用資源的數目，其數值隨該類資源的分配和回收而動態地改變。如果 Available[j] = K，則表示系統中現Rj類資源K個。
(2) 最大需求矩陣Max。這是一個n x m的矩陣，它定義了系統中n個程序中的每個程序對m類資源的最大需求。如果Max[i,j] = K，則表示程序i需要Rj 類資源的最大數目為K。
(3) 分配矩陣 Allocation。這也是一個n x m的矩陣，它定義了系統中每一類資源當前已分配給每一程序的資源數。如果 Allocation[i,jl = K，則表示程序i當前己分得Rj類資源的數目為K。
(4) 需求矩陣Need.這也是一個n×m的矩陣，用以表示每一個程序尚需的各類資源數。如果Need[i,j] = K，則表示程序i還需要Rj類資源K個方能完成其任務。
上述三個矩陣間存在下述關係:
Need[i,j] = Max[i,j] - allocation[i, j]
銀行家演算法詳述：
設 Request；是程序Pi的請求向量，如果 Requesti[j] = K，表示程序Pi需要K個Rj型別的資源。當Pi發出資源請求後，系統按下述步驟進行檢査:
(1) 如果 Requesti[j] ≤ Need[i,j]便轉向步驟(2)；否則認為出錯，因為它所需要的資源數已超過它所宣佈的最大值。
(2) 如果 Requesti[j] ≤ Available[j]，便轉向步驟(3)；否則，表示尚無足夠資源，Pi須等待。
(3) 系統試探著把資源分配給程序Pi，並修改下面資料結構中的數值
Available[i] = Available[j] - Requesti[j];
Allocation[i,j] = Allocation[i,j] + Requesti[j];
Need[i,j] = Need[i,j] - Requesti[j];
(4) 系統執行安全性演算法，檢查此次資源分配後系統是否處於安全狀態。若安全，才正式將資源分配給程序Pi，以完成本次分配；否則，將本次的試探分配作廢，恢復原來的資源分配狀態，讓程序Pi等待。
安全性演算法:
系統所執行的安全性演算法可描述如下:
(1) 設定兩個向量:①工作向量Work，它表示系統可提供給程序繼續執行所需的各類資源數目，它含有m個元素，在執行安全演算法開始時，Work = Available；② Finish:它表示系統是否有足夠的資源分配給程序，使之執行完成。開始時先做 Finish[i] = false；當有足夠資源分配給程序時，再令Finish[i] = true。
(2) 從程序集合中找到一個能滿足下述條件的程序
① Finish[i] = false;
② Need[i,j] ≤ Work[j];
若找到，執行步驟(3)，否則，執行步驟(4)。
(3)當程序Pi獲得資源後，可順利執行，直至完成，並釋放出分配給它的資源，故應執行:
Work[i] = Work[j] + Allocation[i,j];
Finish[i] = true;
go to step 2;(goto語句不推薦使用 _ )
(4)如果所有程序的 Finish[i] =true都滿足，則表示系統處於安全狀態；否則，系統處於不安全狀態。
難點透析：
本程式的難點在於安全性演算法，對於一個安全的系統來說，此步驟較為容易，難在於判斷不安全的系統。為什麼這麼說呢？由於本程式再設計尋找安全序列的部分使用while迴圈，就需要找到分別處理安全系統與不安全系統的終止迴圈條件，對於安全的系統，滿足條件 Finish[i] = false 和 Need[i,j] ≤ Work[j] 的，必定也會按照預期的將 Finish[i] 向量全部置為true，那是不是就可以設定一個變數來累加計數，當該變數與程序數量相等的時候，就說明已經全部置為true了，終止迴圈，也就是說系統安全。
對於不安全的系統，上述方法肯定是不行的，因為不可能將向量 Finish[i] 都置為 true ，必定存在 false。就得尋求一個跳出迴圈的條件，但是由於需要不斷迴圈查詢並嘗試分配，尋求一個安全序列，到底該怎麼算是已經找不到安全路徑了呢？下面說本程式的解決辦法，首先需要想到的是，當我們尋找一輪都沒有找到一個可以安全執行的程序，是不是就說明往後也找不到了呢？沒錯，就是這樣的！所以我們每次在記錄 Finish[i] = true 的次數的時候，不妨把這個次數再使用另一個變數存放起來，然後在判斷語句當中判斷當尋找一輪下來，該值未發生改變，說明已經找不到安全的程序了，即可跳出迴圈，該系統不安全！
圖示：
部分效果圖：
完整程式碼：
#include<stdio.h>
#define resourceNum 3
#define processNum 5
//系統可用（剩餘）資源
int available[resourceNum]={3,3,2};
//程序的最大需求
int maxRequest[processNum][resourceNum]={{7,5,3},{3,2,2},{9,0,2},{2,2,2},{4,3,3}};
//程序已經佔有（分配）資源
int allocation[processNum][resourceNum]={{0,1,0},{2,0,0},{3,0,2},{2,1,1},{0,0,2}};
//程序還需要資源
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];
//安全序列號
int safeSeries[processNum]={0,0,0,0,0};
//程序請求資源量
int request[resourceNum];
//資源數量計數
int num;
//列印輸出系統資訊
void showInfo()
{
printf("\n------------------------------------------------------------------------------------\n");
printf("當前系統各類資源剩餘：");
for(int j = 0; j < resourceNum; j++)
{
printf("%d ",available[j]);
}
printf("\n\n當前系統資源情況：\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(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("\n");
}
}
//列印安全檢查資訊
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");
}
//判斷一個程序的資源是否全為零
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;
}
}
//安全檢查
bool isSafe()
{
//int resourceNumFinish = 0;
int safeIndex = 0;
int allFinish = 0;
int work[resourceNum] = {0};
int r = 0;
int temp = 0;
int pNum = 0;
//預分配為了保護available[]
for(int i = 0; i < resourceNum; i++)
{
work[i] = available[i];
}
//把未完成程序置為false
for(i = 0; i < processNum; i++)
{
bool result = isAllZero(i);
if(result == true)
{
Finish[i] = true;
allFinish++;
}
else
{
Finish[i] = false;
}
}
//預分配開始
while(allFinish != processNum)
{
num = 0;
for(i = 0; i < resourceNum; i++)
{
if(need[r][i] <= work[i] && Finish[r] == false)
{
num ++;
}
}
if(num == resourceNum)
{
for(i = 0; i < resourceNum; i++ )
{
work[i] = work[i] + allocation[r][i];
}
allFinish ++;
SafeInfo(work,r);
safeSeries[safeIndex] = r;
safeIndex ++;
Finish[r] = true;
}
r ++;//該式必須在此處
if(r >= processNum)
{
r = r % processNum;
if(temp == allFinish)
{
break;
}
temp = allFinish;
}
pNum = allFinish;
}
//判斷系統是否安全
for(i = 0; i < processNum; i++)
{
if(Finish[i] == false)
{
printf("\n當前系統不安全！\n\n");
return false;
}
}
//列印安全序列
printf("\n當前系統安全！\n\n安全序列為：");
for(i = 0; i < processNum; i++)
{
bool result = isAllZero(i);
if(result == true)
{
pNum --;
}
}
for(i = 0; i < pNum; i++)
{
printf("%d ",safeSeries[i]);
}
return true;
}
//主函式
void main()
{
int curProcess = 0;
int a = -1;
showInfo();
printf("\n系統安全情況分析\n");
printf(" PID\t Work\t\tAllocation\t Need\t\tWork+Allocation\n");
bool isStart = isSafe();
//使用者輸入或者預設系統資源分配合理才能繼續進行程序分配工作
while(isStart)
{
//限制使用者輸入，以防使用者輸入大於程序數量的數字，以及輸入其他字元（亂輸是不允許的）
do
{
if(curProcess >= processNum || a == 0)
{
printf("\n請不要輸入超出程序數量的值或者其他字元：\n");
while(getchar() != '\n'){};//清空緩衝區
a = -1;
}
printf("\n------------------------------------------------------------------------------------\n");
printf("\n輸入要分配的程序：");
a = scanf("%d",&curProcess);
printf("\n");
}while(curProcess >= processNum || a == 0);
//限制使用者輸入，此處只接受數字，以防使用者輸入其他字元（亂輸是不允許的）
for(int i = 0; i < resourceNum; i++)
{
do
{
if(a == 0)
{
printf("\n請不要輸入除數字以外的其他字元，請重新輸入：\n");
while(getchar() != '\n'){};//清空緩衝區
a = -1;
}
printf("請輸入要分配給程序 P%d 的第 %d 類資源：",curProcess,i+1);
a = scanf("%d", &request[i]);
}while( a == 0);
}
//判斷使用者輸入的分配是否合理，如果合理，開始進行預分配
num = 0;
for(i = 0; i < resourceNum; i++)
{
if(request[i] <= need[curProcess][i] && request[i] <= available[i])
{
num ++;
}
else
{
printf("\n發生錯誤！可能原因如下：\n(1)您請求分配的資源可能大於該程序的某些資源的最大需要！\n(2)系統所剩的資源已經不足了！\n");
break;
}
}
if(num == resourceNum)
{
num = 0;
for(int j = 0; j < resourceNum; j++)
{
//分配資源
available[j] = available[j] - request[j];
allocation[curProcess][j] = allocation[curProcess][j] + request[j];
need[curProcess][j] = need[curProcess][j] - request[j];
//記錄分配以後，是否該程序需要值為0了
if(need[curProcess][j] == 0)
{
num ++;
}
}
//如果分配以後出現該程序對所有資源的需求為0了，即刻釋放該程序佔用資源（視為完成）
if(num == resourceNum)
{
//釋放已完成資源
for(int i = 0; i < resourceNum; i++ )
{
available[i] = available[i] + allocation[curProcess][i];
}
printf("\n\n本次分配程序 P%d 完成,該程序佔用資源全部釋放完畢！\n",curProcess);
}
else
{
//資源分配可以不用一次性滿足程序需求
printf("\n\n本次分配程序 P%d 未完成！\n",curProcess);
}
showInfo();
printf("\n系統安全情況分析\n");
printf(" PID\t Work\t\tAllocation\t Need\t\tWork+Allocation\n");
//預分配完成以後，判斷該系統是否安全，若安全，則可繼續進行分配，若不安全，將已經分配的資源換回來
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("資源不足，等待中...\n\n分配失敗！\n");
}
}
}
}
參考文獻：計算機作業系統/湯小丹等編著.-4版.-西安:西安電子科技大學出版社，2014.5(2016.4重印)
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