银行家算法.docx

1、银行家算法 银行家算法1课程设计的目的通过此次课程设计，了解多道程序系统中多个进程并发执行的资源分配，掌握死锁产生的原因，产生死锁的必要条件以及预防死锁的方法。清楚系统安全态的基本概念掌握银行家算法，了解资源在并发执行中资源分配策略。理解死锁避免，在当前计算机系统中不常使用的原因。模拟银行家算法，用银行家算法实现资源分配。2课程设计的开发语言 此次课程设计，采用C语言作为基本的编程语言。其编程实现简单，结构清晰，更接近硬件，执行效率高。3 功能描述本程序模拟银行家管理银行，可以把一定数量的作业供多个用户周转使用，为了保证作业的安全银行家规定：(1) 当一个用户对作业的最大需求量不超过管理员现有

2、的资金就要接纳该用户。(2) 用户可以分期贷款，但贷款的总数不能超过最大需求量。(3) 当管理员现有的作业不能满足用户的要求，对该用户的请求可以推迟支付，但总能是用户在有限的时间里得到请求。(4) 当用户得到所需的全部作业后，一定能在有限的时间里归还所有的作业。假设有4类资源A，B，C，D。如果要满足上述条件系统必须具备4个功能： (1) 完成输出某时刻的资源分配检测。(2) 利用银行家算法设计安全态。 (3) 进行安全性检查。(4) 统一调度，按需求调配资源。 4 设计方案论证4.1设计思路设Requestij是进程Pi的请求向量，如果Requestij=K，表示进程Pi需要K个Rj类型的资

3、源。当Pi发出资源请求后，系统按下面步骤进行检查：(1) 如果Resquestij=Needi,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。如果Resquestij=Availablej，便转向(3)；否则，表示尚无足够资源，Pi需等待。(2) 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；Availablej:=Availablej-Resquestij；Allocationi,j:=Allocationi,j+Resquesij；Needi,j:=Needi,j-Resquestij；(3) 系统执行安全算法，检查此处资源分配后，系统是否处

4、于安全状态。若安全，才正式将资源分配给Pi，以完成本次分配；否则，将本次的试探分配作废，恢复原来的分配状态，让进程Pi等待。4.2结构设计 图 1系统总体功能框图系统函数的描述及流程图(1) 当前资源资源显示函数output( )：显示当前资源分配详细情况，包括：各种资源的总数，系统目前各种资源可用的数量、个进程已经得到的资源数量、各进程还需的资源量。(2) 银行家算法bank( )：进银行家算法模拟实现的模块，调用其他各个模块进行银行家算法模拟过程。(3) 当前安全态检查函Security( )：用于判断当前状态的安全性，根据不同地方调用提示处理不同的事件。(4) 主函数main( )：逐个

5、调用上面的方法，进行显示状态、安全性检查、银行家算法函数，是进程 图2 银行家算法的主函数流程图 图3 资源输出函数output()的 流程图4.3算法设计4.3.1死锁产生的原因(1) 竞争资源。当系统中多个进程共享资源，如打印机、公用队列等，其数目不足以满足进程需要时，就会引起诸进程对资源的竞争，产生死锁。其中，竞争的资源包括：可剥夺和非可剥夺性资源，以及临界资源。(2) 进程间推进顺序非法。进程在运行过程中，请求和释放的顺序不当，也同样会导致产生进程死锁。其中进程的推进包括：进程推进合法和进程推进非法。4.3.2产生死锁的必要条件 (1) 互斥条件。指进程所分配到的资源进程进行排它性使用

6、，即在一段时间内某资源只有一个进程占用。如果此时还有其它进程请求该资源，则请求者只能等待，直至占有该资源的进程用完间资源释放。 (2) 请求和保持条件。指进程已经保持了至少一个资源，但有提出了新的资源请求，而该资源又被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已占的资源保持不妨。 (3) 不剥夺条件。指进程已获得资源，在未之前不能被剥夺，只能在使用完时自己释放。 (4) 环路等待条件。只在发生死锁时，必然存在一个资源的环形链。4.3.3处理死锁的基本方法(1) 预防死锁。该方法通过某些条件，去破坏产生死锁的四个必要条件。 (2) 避免死锁。在资源的动态分配过程中，用某种方法去防止系统进入不安全

7、状态。 (3) 检测死锁。系统通过设置死锁检测机构，及时检测出死锁的发生。 (4) 解除死锁。当检测出系统发生死锁时，采用某种机制，将进程从死锁状态解脱出来。4.3.4利用银行家算法避免死锁的数据结构(1) 可以用资源向量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，其初值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的改变。如果Availablej=K，则表示系统中该类资源有K个。(2) 最大需求矩阵Max。n*m的矩阵，它定义了系统中的每一类资源当前已分配给每一进程的资源数。如果Allocationi,j=K，则表示进程

8、i当前已分得Rj类资源的数目为K。(3) 需求矩阵Need。这也是n*m的矩阵，用以表示每一个进程尚需的各类资源数。如果Needi,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：Needi,j=Maxi,j-Allocationi,j；4.4系统函数设计4.4.1安全态检查函数Security( )(1) 设置两个工作向量work=available；finishm=false；(2) 从进程集合中找到一个满足下述条件的的进程finishi=false；need=work；如果找到就执行(3)；否则执行(4)；(3) 设进程获得资源可顺利执行，直至完成，

9、从而释放资源。 work=work+allocation；finish=true；Go to 2;(4) 如果所有的进程finishm=true,则表示安全；否则系统不安全。int Security(int avialable4,int need54,int allocation54) int j,i ,work4, finish5=0,0,0,0,0; for(j=0;j4;j+) workj=avialablej; for(i=0;i5;i+) if(finishi=0) for(j=0;j4;j+)if(needij=worki&needij=worki&needij=worki) wo

10、rkj=workj+allocationij;finishj=1; for(i=0;i5;i+) if(finishi=0)return 0; else return 1;4.4.2银行家算法函数bank() 进程i发出请求申请k个j资源，Resquestij=k (1) 检查申请量是否大于需求量：Resquestij=Needi,j，若条件不符重新输入，不允许申请量大于需求量。 (2) 检查申请量是否小于系统中的可以用的资源数：Resquestij=Availablej，若条件不符，申请资源失败，阻塞该进程，用goto语句跳到重新申请资源。(3) 若以上两个条件都满足，则系统试探将资源分配给

11、申请的进程，并修改数据结构的值。 Availablej:=Availablej-Resquestij；Allocationi,j:=Allocationi,j+Resquesij；Needi,j:=Needi,j-Resquestij；(4) 试分配后，执行安全性检查，调用安全算法检查此次资源分配后系统是否出于安全态。若安全，才正式将资源分配给进程；否则本次试探失败，恢复原来的资源分配状态，让进程等待。Bank(int i,int request4,int need54,int avialable3,int allocation54) int j; printf(The process id:

12、 %dn,i); for(j=0;j4;j+) printf( %d,requestj);if(request0=needi0&request1=needi1&request2=needi2=resquest3) if(request0=avialable0&request1=avialable1&request2=avialable2) for(j=0;j4;j+) avialablej=avialablej-requestj; allocationij=allocationij+requestj; needij=needij-requestj;4.5数据表格假定系统中有5个进程P0,P1,

13、P3,P4,P5和三类资源A,B,C,D,各类资源的数量分别为在T0时刻的资源分配情况表1 T0时刻的资源分配表 资源情况进程MaxA B C DAllocationA B C DNeedA B C DAvailableA B C DP00 0 4 4 0 0 3 20 0 1 2 1 6 2 2P12 7 5 0 1 0 0 01 7 5 0P23 6 10 10 1 3 5 42 3 5 6P30 9 8 4 0 3 3 20 6 5 2P40 6 6 10 0 0 1 40 6 5 6 5源程序代码output(int arr54) int i;int j; printf( A B Cn

14、); for(i=0;i5;i+) printf(P%d,i); for(j=0;j4;j+) printf( %d,arrij); printf(n);int Security(int avialable4,int need54,int allocation54) int j;int i; int work4; int finish5=0,0,0,0,0; for(j=0;j4;j+) workj=avialablej; for(i=0;i5;i+) if(finishi=0) for(j=0;j4;j+) if(needij=worki&needij=worki&needij=worki)

15、 workj=workj+allocationij; finishj=1; for(i=0;i5;i+) if(finishi=0) return 0;else return 1;Bank(int i,int request4,int need53,int avialable4,int allocation54)int j; printf(The process id: %dn,i); printf(The Process Request:); for(j=0;j4;j+) printf( %d,requestj); printf(n); if(request0=needi0&request1

16、=needi1&request2=needi2) if(request0=avialable0&request1=avialable1&request2=avialable2) for(j=0;j4;j+) avialablej=avialablej-requestj; allocationij=allocationij+requestj; needij=needij-requestj; printf(The source after request:n); printf( Allocationn); output(allocation); printf( Needn); output(nee

17、d); printf(The Avialable after request:); for(j=0;j4;j+) printf( %d,avialablej); printf(n); else printf(RequestError!); else printf(RequestError!);main() int id,i; int Avialable4=1,6,2,2; int Max54=0,0,4,4,2,7,5,0,3,6,10,10,0,9,8,4,0,6,6,10; int Allocation54=0,0,3,2,1,0,0,0,1,3,5,4,0,3,3,2,0,0,1,4;

18、int Need54=0,0,1,2 ,1,7,5,0,2,3,5,6,0,6,5,2,0,6,5,6; int Request4; printf(The source before request:n); printf( MAXn); output(Max); printf( Allocationn); output(Allocation); printf( Needn); output(Need); printf(The Avialable before request:); for(i=0;i4;i+) printf( %d,Avialablei); printf(n);printf(I

19、nput the id and request of Process:); scanf(%d %d %d %d%d,&id,&Request0,&Request1,&Request2, &Request3); Bank(id,Request,Need,Avialable,Allocation);6 运行结果与分析 程序运行时首先进入此界面，在主界面上有5个进程分别为P0，P1，P2，P3，P4，包含4类资源A，B，C，D。显示它们对资源的最大需求矩阵，已分配矩阵和需求矩阵，以及系统当前可用的资源。可以根据所给的提示输入进程号和对资源的需求量。 图4银行家算法的初始运行界面 根据提示输入所选的进

20、程号和它所需要的各类资源数，系统自动进行安全态检查，分析资源是否可以分配给该进程，以及分匹配后，系统所剩的可用资源数。每次分配完后，系统资源的最大分配矩阵，可分配矩阵，以及需求矩阵都会发生相应的变化。分配完后，将显示出分配完后所剩资源数，供用户进行下面的判断。图5 进行资源分配后的界面如果进程所申请的资源数大于它的需求，或者是大于现在已有的资源数，系统进行检查，认为此时进程进程的请求不合理，不予以处理，分配资源失败。图6 进程请求失败运行界面7 设计体会 本次课程设计用C语言编程模拟银行家算法，主要为了确定安全态，解决死锁问题。具体实现利用了3个矩阵来完成。在设计过程中，深化了对死锁问题的理解

21、。从死锁产生的原因，产生死锁的必要条件，到如何解决死锁，直至最后用银行家算法确定安全态。银行家算法是一个分配资源的过程，是分配的顺序不会产生死锁。其基本思想是，按该算法分配资源时，每次分配后存在这一个进程，如果让它单独运行下去，必须让它获得所需的全部资源，也就是说他能结束，而它结束又能将资源释放，给其它进程使用。整个过程中，增加了对课堂知识的理解，并能够根据自己的理解让其用程序实现，将课堂所学勇于实践，自己的能力也有所提高。 对于此算法，其基本功能均已实现，但也有需要提高的地方。由于是模拟银行家算法，所以，在编程时事先限定了进程的个数。如果要使程序更加完美，可以采用循环，让其动态输入，但基本原

22、理不变。 该课程设计进一步培养综合应用知识进行程序设计的能力。通过完成这一设计,学会利用计算机解决实际问题的初步能力,对课本上的知识进行了复习，从中找出了不少盲点，清楚了只有把学的知识作扎实，多动手多思考，这样才能最大限度的减少知识的漏洞。 参考文献1 屠立德. 计算机操作系统基础M.北京:清华大学出版社,2000.3:30-482 申利民.操作系统常见题解析及模拟题M.北京:国防工业出版社.2004.1:20-393 陈琦.操作系统实验指导书M.北京：电子工业出版社,1999.2:10-204 张尧学.张高,计算机操作系统教程M.北京:清华大学出社,2006:119-1255 汤子赢 ,哲凤屏，汤晓丹.计算机操作系统(修订版)M.西安 : 西安电子科技大学出版社: 2006.10:90-100