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  • 银行家算法:解决多线程死锁问题

    死锁:

    死锁产生的现场:当A进程P S2信号量而B进程P S1信号量时就会产生死锁,因为S2信号量需要B进程释放,而S1信号量需要A进程释放,因此两个进程都在等相互的资源,造成死锁。

     死锁产生的条件:

    互斥条件:进程要求对所分配的资源进行排它性控制,即在一段时间内某资源仅为一进程所占用。(信号量s1 s2为互斥的信号量,只能被一个进程占用)

    请求和保持条件:当进程因请求资源而阻塞时,对已获得的资源保持不放。(A进程在获取s2阻塞时,一直占用s1)

    不可剥夺条件:进程已获得的资源在未使用完之前,不能剥夺,只能在使用完时由自己释放。(s1只能由A进程释放,s2只能由B进程释放)

    环路等待条件:在发生死锁时,必然存在一个进程--资源的环形链。(A B 进程都是环形链路)


    避免死锁的算法:

    银行家算法是避免死锁的一种重要方法,防止死锁的机构只能确保上述四个条件之一不出现,则系统就不会发生死锁。通过这个算法可以用来解决生活中的实际问题,如银行贷款等。

    程序实现思路银行家算法顾名思义是来源于银行的借贷业务,一定数量的本金要应多个客户的借贷周转,为了防止银行加资金无法周转而倒闭,对每一笔贷款,必须 考察其是否能限期归还。在操作系统中研究资源分配策略时也有类似问题,系统中有限的资源要供多个进程使用,必须保证得到的资源的进程能在有限的时间内归还 资源,以供其他进程使用资源。如果资源分配不得到就会发生进程循环等待资源,则进程都无法继续执行下去的死锁现象。
    把一个进程需要和已占有资源的情况记录在进程控制中,假定进程控制块PCB其中“状态”有就绪态、等待态和完成态。当进程在处于等待态时,表示系统不能满 足该进程当前的资源申请。“资源需求总量”表示进程在整个执行过程中总共要申请的资源量。显然,,每个进程的资源需求总量不能超过系统拥有的资源总 数, 银行算法进行资源分配可以避免死锁.
     
    一.程序流程图:
    1.初始化算法流程图:
    银行家算法实现 - 如雪 - 丢了幸福的猪
    2.银行家算法流程图:
    银行家算法实现 - 如雪 - 丢了幸福的猪
     3.安全性算法流程图:
    银行家算法实现 - 如雪 - 丢了幸福的猪
    二.银行家算法设计:
    1.设进程i提出请求Request[n],则银行家算法按如下规则进行判断。
    (1)如果Request[n]>Need[i,n],则报错返回。
    (2)如果Request[n]>Available,则进程i进入等待资源状态,返回。
    (3)假设进程i的申请已获批准,于是修改系统状态:
        Available=Available-Request
        Allocation=Allocation+Request
        Need=Need-Request
    (4)系统执行安全性检查,如安全,则分配成立;否则试探险性分配作废,系统恢复原状,进程等待。
    2.安全性检查
    (1)设置两个工作向量Work=Available;Finish =False
    (2)从进程集合中找到一个满足下述条件的进程,
       Finish =False
       Need<=Work
       如找到,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,从而释放资源。
        Work=Work+Allocation
        Finish=True
        GO TO 2
    (4)如所有的进程Finish =true,则表示安全;否则系统不安全。
    3.数据结构
    假设有M个进程N类资源,则有如下数据结构:
    #define W 10
    #define R 20
    int A ;                      //总进程数
    int B ;                     //资源种类
    int ALL_RESOURCE[W];        //各种资源的数目总和
    int MAX[W] ;             //M个进程对N类资源最大资源需求量
    int AVAILABLE ;          //系统可用资源数
    int ALLOCATION[W] ;      //M个进程已经得到N类资源的资源量
    int NEED[W] ;            //M个进程还需要N类资源的资源量
    int Request ;            //请求资源个数
    5.4主要函数说明
    void showdata();           //主要用来输出资源分配情况
    void changdata(int);       //主要用来输出资源分配后后的情况
    void rstordata(int);       //用来恢复资源分配情况,如:银行家算法时,由于分配不安全则要恢复资源分配情况
    int chkerr(int);           //银行家分配算法的安全检查
    void bank()   ;             //银行家算法
    银行家算法的课程设计(二)VC++6.02008-01-28 15:29源程序
    数据结构分析:
    假设有M个进程N类资源,则有如下数据结构:
    #define W 10
    #define R 20
    int A ;                      //总进程数
    int B ;                     //资源种类
    int ALL_RESOURCE[W];        //各种资源的数目总和
    int MAX[W] ;             //M个进程对N类资源最大资源需求量
    int AVAILABLE ;          //系统可用资源数
    int ALLOCATION[W] ;      //M个进程已经得到N类资源的资源量
    int NEED[W] ;            //M个进程还需要N类资源的资源量
    int Request ;            //请求资源个数
    第3章   程序清单#include <iostream>
    using namespace std;
    #define MAXPROCESS 50                        /*最大进程数*/
    #define MAXRESOURCE 100                        /*最大资源数*/
    int AVAILABLE[MAXRESOURCE];                    /*可用资源数组*/
    int MAX[MAXPROCESS][MAXRESOURCE];            /*最大需求矩阵*/
    int ALLOCATION[MAXPROCESS][MAXRESOURCE];    /*分配矩阵*/
    int NEED[MAXPROCESS][MAXRESOURCE];            /*需求矩阵*/
    int REQUEST[MAXPROCESS][MAXRESOURCE];        /*进程需要资源数*/
    bool FINISH[MAXPROCESS];                        /*系统是否有足够的资源分配*/
    int p[MAXPROCESS];                             /*记录序列*/
    int m,n;                                    /*m个进程,n个资源*/
    void Init();
    bool Safe();
    void Bank();
    int main()
    {
        Init();
        Safe();
        Bank();
    }
    void Init()                /*初始化算法*/
    {
        int i,j;
        cout<<" ---------------------------------------------------"<<endl;
        cout<<" ||                                               ||"<<endl;
        cout<<" ||                 银行家算法                    ||"<<endl;
        cout<<" ||                                               ||"<<endl;
        cout<<" ||                             计科04151  李宏   ||"<<endl;
        cout<<" ||                                               ||"<<endl;
        cout<<" ||                                  0415084211   ||"<<endl;
        cout<<" ---------------------------------------------------"<<endl;
        cout<<"请输入进程的数目:";
        cin>>m;
        cout<<"请输入资源的种类:";
        cin>>n;
        cout<<"请输入每个进程最多所需的各资源数,按照"<<m<<"x"<<n<<"矩阵输入"<<endl;
        for(i=0;i<m;i++)
        for(j=0;j<n;j++)
        cin>>MAX[j];
        cout<<"请输入每个进程已分配的各资源数,也按照"<<m<<"x"<<n<<"矩阵输入"<<endl;
        for(i=0;i<m;i++)
        {
            for(j=0;j<n;j++)
            {
                cin>>ALLOCATION[j];
                NEED[j]=MAX[j]-ALLOCATION[j];
                if(NEED[j]<0)
                {
                    cout<<"您输入的第"<<i+1<<"个进程所拥有的第"<<j+1<<"个资源数错误,请重新输入:"<<endl;
                    j--;
                    continue;
                }
            }
        }
        cout<<"请输入各个资源现有的数目:"<<endl;
        for(i=0;i<n;i++)
        {
            cin>>AVAILABLE;
        }
    }
    void Bank()                /*银行家算法*/
    {
        int i,cusneed;
        char again;
        while(1)
        {
            cout<<"请输入要申请资源的进程号(注:第1个进程号为0,依次类推)"<<endl;
            cin>>cusneed;
            cout<<"请输入进程所请求的各资源的数量"<<endl;
            for(i=0;i<n;i++)
            {
                cin>>REQUEST[cusneed];
            }
            for(i=0;i<n;i++)
            {
                if(REQUEST[cusneed]>NEED[cusneed])
                {
                    cout<<"您输入的请求数超过进程的需求量!请重新输入!"<<endl;
                    continue;
                }
                if(REQUEST[cusneed]>AVAILABLE)
                {
                    cout<<"您输入的请求数超过系统有的资源数!请重新输入!"<<endl;
                    continue;
                }
            }
            for(i=0;i<n;i++)
            {
                AVAILABLE-=REQUEST[cusneed];
                ALLOCATION[cusneed]+=REQUEST[cusneed];
                NEED[cusneed]-=REQUEST[cusneed];
            }
            if(Safe())
            {
                cout<<"同意分配请求!"<<endl;
            }
            else
            {
                cout<<"您的请求被拒绝!"<<endl;
                for(i=0;i<n;i++)
                {
                    AVAILABLE+=REQUEST[cusneed];
                    ALLOCATION[cusneed]-=REQUEST[cusneed];
                    NEED[cusneed]+=REQUEST[cusneed];
                }
            }
            for(i=0;i<m;i++)
            {
                FINISH=false;
            }
            cout<<"您还想再次请求分配吗?是请按y/Y,否请按其它键"<<endl;
            cin>>again;
            if(again=='y'||again=='Y')
            {
                continue;
            }
            break;
            }
    }
    bool Safe()                                    /*安全性算法*/
    {
        int i,j,k,l=0;
        int Work[MAXRESOURCE];                    /*工作数组*/
        for(i=0;i<n;i++)
        Work=AVAILABLE;
        for(i=0;i<m;i++)
        {
            FINISH=false;
        }
        for(i=0;i<m;i++)
        {    
            if(FINISH==true)
            {
                continue;
            }
            else
            {
                for(j=0;j<n;j++)
                {
                    if(NEED[j]>Work[j])
                    {
                        break;
                    }
                }
                if(j==n)
                { 
                    FINISH=true;
                    for(k=0;k<n;k++)
                    {
                        Work[k]+=ALLOCATION[k];
                    }
                    p[l++]=i;
                    i=-1;
                }
                else
                {
                    continue; 
                }
            }
            if(l==m)
            {
                cout<<"系统是安全的"<<endl;
                cout<<"安全序列:"<<endl;
                for(i=0;i<l;i++)
                {
                    cout<<p;
                    if(i!=l-1)
                    {
                        cout<<"-->";
                    }
                }
                cout<<""<<endl;
                return true;
            }
        }
        cout<<"系统是不安全的"<<endl;
        return false;

    输出数据
    银行家算法实现 - 如雪 - 丢了幸福的猪
    银行家算法的模拟实现”是本学期操作系统课程唯一的课程设计。在设计此程序的过程中,我遇到过许多问题,也学到了很多东西。本程序的设计实现主要是用 C++语言实现,通过对程序算法的设计优化、输出显示的格式设计、输入过程中的异常处理等一些设计过程中的问题的考虑解决,在C++学习上也有了很大的进 步。程序设计过程中开始遇到的最大的问题是算法的结构设计问题,课本上只给了设计要求及简单的算法,要真正实现还需要考虑很多方面。在算法的数据结构设计 上考虑了很长时间。在程序设计中先后参考了很多网络资料,也参考了一些别人写的的程序,综合这些算法思想和自己的思路对程序做了很好的设计方式,对一些算 法的优越性等也作了一些考虑。此外考虑最多的就是异常错误处理的设计。一个好的程序必须能在各种环境下都有其相应的处理方式,至少能应对一些常见的可能发 生的错误。比如一般的要求输入为数字时,如果输入了一个非数字字符,程序就会立即出错无法继续运行,本程序针对这个问题设计了一个shuzi();函数进 行处理,处理方式为:接受键盘输入的字符为字符串,然后对字符串的每个字符进行判断是否为数字,如果有非数字字符出现则提示出错并要求重新输入。又如在判 断是否继续时要求输入Y/N时,按一般的方式,如果输入为多个字符,则多余的字符会保存在缓冲区,到下次要求输入时输入而导致出错,对此问题设计处理方式 为接受输入字符保存为串然后只取其首字符进行判断。还有很多类似的错误处理。还有在设置程序的显示优化时,发现暂停函数在不同的情况下执行顺序不同,如此 等等。在课程设计过程中遇到了许多问题,也向同宿舍的同学做了一些请教一起讨论,也因此从他们身上学到了许多东西。

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