银行家算法 | 易学教程

在了解银行家算法之前，我们先了解一下死锁的概念和它的相关知识。

死锁

概念：多个进程相互等待，互不相让，导致所有进程无限期等待。
死锁分为资源死锁和通信死锁。
资源死锁：每个进程都在等待其他进程释放资源。资源死锁时最常见的死锁类型。
通信死锁：由于信息丢失，导致通信双方互相等待对方发送消息。一般可以设置超时时间来解决。

资源死锁条件

1）互斥条件：一个进程不能被两个以上的进程同时占有。
2）占有和等待：已经得到某个资源的进程可以申请新的资源。
3）不可抢占条件：已经分配给一个进程的资源不能被强制性抢占，他只能被占有它的进程显式释放。
4）环路等待：死锁发生时，系统中一定有两个及两个以上的进程形成一条环路。

死锁处理

1）忽略问题。
2）检测死锁并恢复
3）避免死锁
4）防止死锁发生

今天我们要说的就是死锁避免的策略—银行家算法
银行家算法是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的申请资源，但系统在进行资源分配之前，应该先计算此次分配资源的安全性，若果分配不会导致系统进入不安全状态，则分配，否则等待。

先说一下算法中需要的数据结构：
1.可利用资源向量Available:他是一个一维数组。其中的每一个元素代表一类可利用的资源数目。它的数值会根据资源的分配和回收发生改变。比如Available[i]=k,则说明系统现在i类资源有k个。
2.最大需求矩阵Max：只是一个矩阵，代表多个进程对每个资源的最大需求量，比如Max[i,j]=k,代表第i个进程对第j个资源最大需求k个。
3.分配矩阵Allocation：只是一个矩阵。代表不同进程已经分配的各种资源数。
4.需求矩阵Need：是一个矩阵，代表每个进程还需要资源的数目。

其中三个矩阵有这样的关系：Max[i,j]=Allocation[i,j]+Need[i,j]

算法描述

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宣布的最大值。
　　(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[i] = 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:①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；② **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[i] = Work[j] + Allocation[i,j];
　　　　Finish[i] = true;
　　　　go to step 2;(goto语句不推荐使用 _ )
　　(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。

代码设计思想

这个程序用C语言实现的，涉及了部分c++知识。
下面说一下结构体设计，首先最大需求矩阵，需求矩阵，已分配矩阵，工作矩阵，work+allocation矩阵，都用一个二维数组来表示。Finish和available向量用一个一维数组来表示。
方法和接口设计如下：每个接口均有注释，可结合注释来看。
在这里插入图片描述
请求资源函数和安全性算法函数返回值设置为int型，方便调用。请求资源函数调用安全型判断函数。

具体设计如下：

全代码分为四个模块：1.初始化 2.安全性检查 3.请求资源 4.退出.
在初始化中，分别对Max，Allocation，Need矩阵进行初始化，其中Need[i][j]=Max[i][j]-Allocation[i][j];.用两次for循环实现。

2、安全性检查中，首先初始化work[],把available[]赋值给它，初始化完成。然后再Need矩阵中寻找满足Need[i][j]<work[j]的进程，找到后，更新work矩阵的值，以及work+available矩阵的值，并将进程号加入安全序列，标志位给true，没找到，标志位给false，记录true的个数。设置返回值返回。

3、请求资源时，先判断这两个条件
在这里插入图片描述
如果满足，退出，不能请求资源。否则，进入到预分配，更新available向量,Need,allocation的值，调用安全性算法，**通过其返回值，判断ture的个数是否等于进程数，**等于，则可已分配资源。否则，把试分配的资源还给系统。当进程所需资源数已经全部得到满足后，应该回收此资源。

流程图

在这里插入图片描述

运行结果

如图，刚开始初始化所有进程资源请情况表如下此时Available向量是 {3,3,2}
在这里插入图片描述

此时安全序列是 1 3 0 2 4

在这里插入图片描述
当进程1申请资源{1，0，2}时，判断两个条件，满足后试分配，申请资源成功。此时安全序列是1 3 0 2 4

继续申请，给进程三申请{1,1,0}，发现其大于自身Need，则申请失败。此时Available值为{2 3 0}，因为刚才给p1分配了{1 0 2}
在这里插入图片描述