一、設計目的

1、瞭解多道程式系統中，多個程序併發執行的資源分配。

2、掌握死鎖的產生的原因、產生死鎖的必要條件和處理死鎖的基本方法。

3、掌握預防死鎖的方法，系統安全狀態的基本概念。

4、掌握銀行家演算法，瞭解資源在程序併發執行中的資源分配策略。

5、理解死鎖避免在當前計算機系統不常使用的原因。

二、設計任務

①在Window98/2000 系統的TC2.0環境下執行程式；

②通過最有代表性的避免死鎖的演算法(Dijkstra)的銀行家演算法程式實現來理解程序併發中的資源分配，死鎖避免在死鎖解決中的可行性；

③ 設計程式在自動、手動方式下執行，理解銀行家演算法的實質。

三、設計內容與步驟

A、銀行家演算法設計的知識準備。

1

2、關於死鎖的一些結論：

Ø參與死鎖的程序最少是兩個

Ø（兩個以上程序才會出現死鎖）

Ø參與死鎖的程序至少有兩個已經佔有資源

Ø參與死鎖的所有程序都在等待資源

Ø參與死鎖的程序是當前系統中所有程序的子集

注：如果死鎖發生，會浪費大量系統資源，甚至導致系統崩潰。

3、資源分類。

永久性資源：

可以被多個程序多次使用（可再用資源）

l可搶佔資源

l不可搶佔資源

臨時性資源：只可使用一次的資源；如訊號量,中斷訊號，同步訊號等（可消耗性資源）

　　　　　　“申請--分配--使用--釋放”模式

4、產生死鎖的四個必要條件：互斥使用（資源獨佔）、不可強佔（不可剝奪）、請求和保持（部分分配，佔有申請）、迴圈等待。

1) 互斥使用（資源獨佔）

一個資源每次只能給一個程序使用

2) 不可強佔（不可剝奪）

資源申請者不能強行的從資源佔有者手中奪取資源，資源只能由佔有者自願釋放

3) 請求和保持（部分分配，佔有申請）

一個程序在申請新的資源的同時保持對原有資源的佔有（只有這樣才是動態申請，動態分配）

4) 迴圈等待

存在一個程序等待佇列

{P1 , P2 , … , Pn},

其中P1等待P2佔有的資源，P2等待P3佔有的資源，…，Pn等待P1佔有的資源，形成一個程序等待環路

5、死鎖的解決方案

5.1 產生死鎖的例子

申請不同型別資源產生死鎖

P1：

…

申請印表機

申請掃描器

使用

釋放印表機

釋放掃描器

…

P2：

…

申請掃描器

申請印表機

使用

釋放印表機

釋放掃描器

…

申請同類資源產生死鎖（如記憶體）

設有資源R，R有m個分配單位，由n個程序P1,P2,…,Pn（n > m）共享。假設每個程序對R的申請和釋放符合下列原則：

* 一次只能申請一個單位

* 滿足總申請後才能使用

* 使用完後一次性釋放

m=2，n=3

資源分配不當導致死鎖產生

5.2死鎖預防:

定義:在系統設計時確定資源分配演算法，保證不發生死鎖。具體的做法是破壞產生死鎖的四個必要條件之一

①破壞“不可剝奪”條件

在允許程序動態申請資源前提下規定，一個程序在申請新的資源不能立即得到滿足而變為等待狀態之前，必須釋放已佔有的全部資源，若需要再重新申請

②破壞“請求和保持”條件

要求每個程序在執行前必須一次性申請它所要求的所有資源，且僅當該程序所要資源均可滿足時才給予一次性分配

③破壞“迴圈等待”條件

採用資源有序分配法：

把系統中所有資源編號，程序在申請資源時必須嚴格按資源編號的遞增次序進行，否則作業系統不予分配

6．安全狀態與不安全狀態

安全狀態：

如果存在一個由系統中所有程序構成的安全序列P1，…Pn，則系統處於安全狀態。一個程序序列{P1，…，Pn}是安全的，如果對於每一個程序Pi(1≤i≤n），它以後尚需要的資源量不超過系統當前剩餘資源量與所有程序Pj (j < i )當前佔有資源量之和，系統處於安全狀態 (安全狀態一定是沒有死鎖發生的)

不安全狀態:不存在一個安全序列，不安全狀態一定導致死鎖。

B、銀行家演算法

一、銀行家演算法中的資料結構

1．可利用資源向量Available

它是一個含有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,則表示系統中現有Rj類資源K個。

2．最大需求短陣Max

這是—個n×m的矩陣，它定義了系統中n個程序中的每一個程序對m類資源的最大需求。如果Max(i，j)＝K，表示程序i需要Rj類資源的最大數目為K。

3．分配短陣Allocation

這是一個n×m的矩陣，它定義了系統中每一類資源當前已分配給每個程序的資源數。如果Allocation(i,j)＝K，表示程序i當前已分得Rj類資源的數目為K。

4．需求矩陣Need

它是一個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]

二、銀行家演算法

設Requesti是程序Pi的請求向量。如果Request_i[j]＝k，表示程序只需要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查：

（1）如果 Requesti[j]<=Need[i,j]，則轉向步驟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] ，則轉向步驟3；否則，表示系統中尚無足夠的資源，Pi必須等待。

（3）系統試探把要求的資源分配給程序Pi，並修改下面資料結構中的數值：

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，將試探分配作廢，恢復原來的資源分配狀態，讓程序Pi等待。

三、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要的各類資源數目，它含有m個元素，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，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];如找到，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[j]:=Work[i]+Allocation[i,j];

Finish[i]:=true;

goto step 2；

（4）如果所有程序的Finish[i]:=true，則表示系統處於安全狀態；否則，系統處於不安全狀態。

四、銀行家演算法之例

假定系統中有五個程序：{P0，P1，P2，P3，P4}和三種類型的資源{A，B，C}，每一種資源的數量分別為10、5、7,在T0時刻的資源分配情況如圖1所示。