操作系统之银行家算法

一、实验目的

　　通过编写一个模拟动态资源分配的银行家算法程序，进一步深入理解死锁、产生死锁的必要条件、安全状态等重要概念，并掌握避免死锁的具体实施方法。

二、实验内容

（1）模拟一个银行家算法： 设置数据结构 设计安全性算法（2） 初始化时让系统拥有一定的资源
（3） 用键盘输入的方式申请资源
（4）如果预分配后，系统处于安全状态，则修改系统的资源分配情况
（5）如果预分配后，系统处于不安全状态，则提示不能满足请求

三、实验要点说明

数据结构

可利用资源向量 int Available[m] m为资源种类
最大需求矩阵 int Max[n][m] n为进程的数量
分配矩阵 int Allocation[n][m]
还需资源矩阵 int need[i][j]=Max[i][j]- Allocation[i][j]
申请资源数量 int Request [m]
工作向量 int Work[m] int Finish[n]
银行家算法bank()函数

Requesti：进程Pi的请求向量。 0<=j<=m-1

(1) 若 Requesti[j] ≤ Need[i,j]，转向(2)，否则出错。
(2) 若 Requesti[j] ≤ Available[j]，转向(3)，否则等待。
(3) 系统试探着把资源分配给进程Pi，修改下面内容：
Available[j] = Available[j] – Requesti[j];
Allocation[i,j] = Allocation[i,j] + Requesti[j];
Need[i,j] = Need[i,j] –Requesti[j];
(4) 试分配后，执行安全性算法，检查此次分配后系统是否处于安全状态。若安全，才正式分配；否则，此次试探性分配作废，进程Pi等待。

安全性算法safe()函数

(1) 初始化：设置两个向量Work(1×m)和Finish(1×n)
Work – 系统可提供给进程继续运行所需各类资源数，初态赋值Available
Finish – 系统是否有足够资源分配给进程，初值false.
(2) 从进程集合中满足下面条件进程：
Finish[i] = false; Need[i,j] ≤ Work[j];
若找到，执行(3)，否则，执行(4)。
(3) 进程Pi获得资源，可顺利执行，完成释放所分配的资源。
Work[j] = Work[j]+Allocation[i,j]; Finish[i] = true; go to (2).
(4) 若所有进程Finish[i] = true，表示系统处于安全状态，否则处于不安全状态。
先对用户提出的请求进行合法性检查，即检查请求的是否不大于需要的，是否不大于可利用的。 若请求合法，则进行试分配。最后对试分配后的状态调用安全性检查算法进行安全性检查。 若安全，则分配，否则，不分配，恢复原来状态，拒绝申请。

银行家算法实例

假定系统中有五个进程{P0、P1、P2、P3、P4}和三种类型资源{A、B、C}，每一种资源的数量分别为10、5、7。各进程的最大需求、T0时刻资源分配情况如下所示。

试问：

①T0时刻是否安全？
② T0之后的T1时刻P1请求资源Request1(1,0,2)是否允许？
③ T1之后的T2时刻P4请求资源Request4(3,3,0)是否允许？
④ T2之后的T3时刻P0请求资源Request0(0,2,0)是否允许？
解：

① T0时刻是否安全？ 工作向量Work.它表示系统可提供给进程继续运行所需要的各类资源的数目

(1) T0时刻安全性分析

存在安全序列{P1, P3, P4, P0, P2}，系统安全。

(2) T0之后的T1时刻P1请求资源Request1(1,0,2)可否允许？

①Request1(1,0,2) ≤ Need1(1,2,2)，P1请求在最大需求范围内
②Request1(1,0,2) ≤ Available1(3,3,2)，可用资源可满足P1请求需要
③假定可为P1分配，修改Available,Allocation1,Need1向量
Available(2,3,0) = Available(3,3,2)-Request1(1,0,2);
Need1(0,2,0) = Need1(1,2,2)-Request1(1,0,2);
Allocation1(3,0,2) =Allocation1(2,0,0)+Request1(1,0,2);
④利用安全性算法检查试探将资源分配后状态的安全性

存在安全序列{P1, P3, P4, P0, P2}，所以试探将资源分配给进程P1后的状态是安全的，可将资源分配给进程P1。

③ T1之后的T2时刻P4请求资源Request4(3,3,0)是否允许？

Request4(3,3,0)≤Need4(4,3,1)，P4请求在最大需求范围内。
Request4(3,3,0)≤Available(2,3,0)不成立，即可用资源暂不能满足P4请求资源需要，P4阻塞等待。
P4请求资源Request4(3,3,0)不允许。

④ T2之后的T3时刻P0请求资源Request0(0,2,0)是否允许？

Request0(0，2，0)≤Need0(7，4，3)；
Request0(0，2，0)≤Available(2，3，0)；
系统暂时先假定可为P0分配资源，并修改有关数据，如下图所示：

进行安全性检查：可用资源Available(2，1，0)已不能满足任何进程的需要，故系统进入不安全状态，此时系统不分配资源。

程序结构

程序共有以下五个部分：

(1).初始化init()：输入进程数量、资源种类、资源可利用量、进程资源已分配量、进程最大需求量
(2).当前安全性检查safe()：用于判断当前状态安全
(3).银行家算法bank()：进行银行家算法模拟实现的模块
(4).显示当前状态show()：显示当前资源分配详细情况
(5).主程序main()：逐个调用初始化、显示状态、安全性检查、银行家算法函数，使程序有序的进行

四、实验代码

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
 
#define False 0
#define True 1
 
/********主要数据结构********/
char NAME[100]={0};//资源的名称
int Max[100][100]={0};//最大需求矩阵
int Allocation[100][100]={0};//系统已分配矩阵
int Need[100][100]={0};//还需要资源矩阵
int Available[100]={0};//可用资源矩阵
int Request[100]={0};//请求资源向量    
int Work[100]={0};//存放系统可提供资源量 
int Finish[100]={0}; //标记系统是否有足够的资源分配给各个进程 
int Security[100]={0};//存放安全序列
 
int M=100;//进程的最大数
int N=100;//资源的最大数
 
/********初始化数据：输入进程数量、资源种类、各种资源可利用数量、
各进程对资源最大需求量、各进程的资源已分配数量等。********/
void init()
{
    /* m为进程个数，即矩阵行数，n为资源种类，即矩阵列数。*/
    int i,j,m,n;
    int number,flag;
    char name;//输入资源名称
    int temp[100]={0};//统计已经分配的资源
    //输入系统资源数目及各资源初试个数 
    printf("系统可用资源种类为:");
    scanf("%d",&n);
    N=n;
    for(i=0;i<n;i++)
    {
        printf("资源%d的名称:",i);
        fflush(stdin);  //清空输入流缓冲区的字符，注意必须引入#include<stdlib.h>头文件
        scanf("%c",&name);
        NAME[i]=name;
        printf("资源%c的初始个数为:",name);    
        scanf("%d",&number);
        Available[i]=number;
    }
    
    //输入进程数及各进程的最大需求矩阵 
    printf("
请输入进程的数量:");    
    scanf("%d",&m);
    M=m;
    printf("请输入各进程的最大需求矩阵的值[Max]:
");
    do{
        flag = False;
        for(i=0;i<M;i++)
            for(j=0;j<N;j++)
            {
                scanf("%d",&Max[i][j]);
                if(Max[i][j]>Available[j])
                    flag = True;                
            }
        if(flag)
            printf("资源最大需求量大于系统中资源最大量，请重新输入!
");                                
    } while(flag);
    
            
    //输入各进程已经分配的资源量，并求得还需要的资源量 
    do{
        flag=False;
        printf("请输入各进程已经分配的资源量[Allocation]:
");
        for(i=0;i<M;i++)
        {
            for(j=0;j<N;j++)
              {
                scanf("%d",&Allocation[i][j]);
                if(Allocation[i][j]>Max[i][j])  
                    flag=True;                
                Need[i][j]=Max[i][j]-Allocation[i][j];
                temp[j]+=Allocation[i][j];//统计已经分配给进程的资源数目
              }
        }
        if(flag)
            printf("分配的资源大于最大量，请重新输入!
");        
    }while(flag);
    
    //求得系统中可利用的资源量 
    for(j=0;j<N;j++)
        Available[j]=Available[j]-temp[j];
}
 
/********显示资源分配矩阵********/
void showdata()
{
    int i,j;
    printf("*************************************************************
");
    printf("系统目前可用的资源[Available]:
");
    for(i=0;i<N;i++)
        printf("%c  ",NAME[i]);
    printf("
");
    for(j=0;j<N;j++)
        printf("%d  ",Available[j]);
    printf("
");
    printf("系统当前的资源分配情况如下：
");
    printf("            Max        Allocation    Need
");
    printf("进程名     ");
    //输出与进程名同行的资源名，Max、Allocation、Need下分别对应 
    for(j=0;j<3;j++){
        for(i=0;i<N;i++)
            printf("%c  ",NAME[i]);
        printf("     ");
    }
    printf("
");
    //输出每个进程的Max、Allocation、Need 
    for(i=0;i<M;i++){
        printf(" P%d        ",i);
        for(j=0;j<N;j++)
            printf("%d  ",Max[i][j]);
        printf("     "); 
        for(j=0;j<N;j++)
            printf("%d  ",Allocation[i][j]);
        printf("     "); 
        for(j=0;j<N;j++)
            printf("%d  ",Need[i][j]);
        printf("
");
    }
}
 
/********尝试分配资源********/
int test(int i) //试探性的将资源分配给第i个进程 
{ 
    for(int j=0;j<N;j++)
    {
        Available[j]=Available[j]-Request[j];
        Allocation[i][j]=Allocation[i][j]+Request[j];
        Need[i][j]=Need[i][j]-Request[j];
    }
    return True;
}
 
/********试探性分配资源作废********/
int Retest(int i) //与test操作相反 
{ 
    for(int j=0; j<N; j++)
    {
        Available[j] = Available[j] + Request[j];
        Allocation[i][j] = Allocation[i][j] - Request[j];
        Need[i][j] = Need[i][j] + Request[j];
    }
    return True;
}
 
/********安全性算法********/
int safe()
{
    int i,j,k=0,m,apply;
    //初始化work 
    for(j=0;j<N;j++)
        Work[j] = Available[j];
    //初始化Finish 
    for(i=0;i<M;i++) 
        Finish[i] = False;
    //求安全序列 
    for(i=0;i<M;i++){ 
        apply=0;
        for(j=0;j<N;j++){
            if(Finish[i]==False && Need[i][j]<=Work[j])
            {   
                apply++;
                //直到每类资源尚需数都小于系统可利用资源数才可分配
                if(apply==N)
                {  
                    for(m=0;m<N;m++)
                        Work[m]=Work[m]+Allocation[i][m];//更改当前可分配资源
                    Finish[i]=True;
                    Security[k++]=i;
                    i=-1; //保证每次查询均从第一个进程开始        
                }
            }
        }
    }
    
    for(i=0;i<M;i++){
        if(Finish[i]==False){
            printf("系统不安全
");//不成功系统不安全
            return False;
        }
    }
    printf("系统是安全的!
");//如果安全，输出成功
    printf("存在一个安全序列:");
    for(i=0;i<M;i++){//输出运行进程数组
        printf("P%d",Security[i]);
        if(i<M-1) 
            printf("->");
    }
    printf("
");
    return True;
}
 
/********利用银行家算法对申请资源进行试分********/
void bank()
{
    int flag = True;//标志变量，判断能否进入银行家算法的下一步 
    int i,j;
 
    printf("请输入请求分配资源的进程号(0-%d):",M-1); 
    scanf("%d",&i);//输入须申请资源的进程号
    
    printf("请输入进程P%d要申请的资源个数:
",i);
    for(j=0;j<N;j++)
    {
        printf("%c:",NAME[j]);
        scanf("%d",&Request[j]);//输入需要申请的资源
    }
    
    //判断银行家算法的前两条件是否成立 
    for (j=0;j<N;j++)
    {
        if(Request[j]>Need[i][j])//判断申请是否大于需求，若大于则出错
        { 
            printf("进程P%d申请的资源大于它需要的资源",i);
            printf("分配不合理，不予分配！
");
            flag = False;
            break;
        }
        else 
        {
            if(Request[j]>Available[j])//判断申请是否大于当前可分配资源，若大于则出错
            {                         
                printf("进程%d申请的资源大于系统现在可利用的资源",i);
                printf("
");
                printf("系统尚无足够资源，不予分配!
");
                flag = False;
                break;
            }
        }
    }
    //前两个条件成立，试分配资源，寻找安全序列 
    if(flag) {
        test(i); //根据进程需求量,试分配资源 
        showdata(); //根据进程需求量，显示试分配后的资源量 
        if(!safe()) //寻找安全序列
        {
            Retest(i);
            showdata();
        }
    }
}
 
 
int main()//主函数
{    
    char choice;
    printf("	---------------------------------------------------
");
    printf("	||                                               ||
");
    printf("	||               银行家算法的实现                ||
");
    printf("	||                                               ||
");
    printf("	||                                               ||
");
    printf("	||                     在此输入个人姓名：******  ||
");
    printf("	||                                               ||
");
    printf("	---------------------------------------------------
");
    init();//初始化数据
    showdata();//显示各种资源
    //用银行家算法判定系统当前时刻是否安全，不安全就不再继续分配资源 
    if(!safe()) exit(0);
    
    do{
        printf("*************************************************************
");
        printf("
");
        printf("
");
        printf("	-------------------银行家算法演示------------------
");
        printf("                     R(r):请求分配   
");    
        printf("                     E(e):退出       
");
        printf("	---------------------------------------------------
");
        printf("请选择：");
        fflush(stdin);  //清空输入流缓冲区的字符，注意必须引入#include<stdlib.h>头文件
        scanf("%c",&choice);
        switch(choice)
        {
            case 'r':
            case 'R':
                bank();break;            
            case 'e':
            case 'E':
                exit(0);
            default: printf("请正确选择!
");break;
        }
    } while(choice);
}