实验二银行家算法

实验二银行家算法一、实验目的1．理解死锁避免相关内容；2．掌握银行家算法主要流程；3．掌握安全性检查流程。

操作系统中的死锁避免部分的理论进行实验。

要求实验者设计一个程序，该程序可对每一次资源申请采用银行家算法进行分配。

二、实验设备PC机、windows2000 操作系统、Turbo C 2.0三、实验要求本实验要求4学时完成。

1．设计多个资源（≥3）；2．设计多个进程（≥3）；3．设计银行家算法相关的数据结构；4．动态进行资源申请、分配、安全性检测并给出分配结果。

5．撰写实验报告，并在实验报告中画出银行家和安全性检查函数流程图；四、预备知识死锁避免定义：在系统运行过程中，对进程发出的每一个资源申请进行动态检查，并根据检查结果决定是否分配资源：若分配后系统可能发生死锁，则不予分配，否则予以分配。

由于在避免死锁的策略中，允许进程动态地申请资源。

因而，系统在进行资源分配之前预先计算资源分配的全安性。

若此次分配不会导致系统进入不安全状态，则将资源分配给进程；否则，进程等待。

其中最具有代表性的避免死锁算法是银行家算法。

1 系统安全状态1）安全状态所谓系统是安全的，是指系统中的所有进程能够按照某一种次序分配资源，并且依次地运行完毕，这种进程序列{ P1 ，P2 …Pn}就是安全序列。

如果存在这样一个安全序列，则系统是安全的。

并非所有的不安全状态都会转为死锁状态，但当系统进入不安全状态后，便有可能进入死锁状态；反之，只要系统处于安全状态，系统便可避免进入死锁状态。

所以避免死锁的实质：系统在进行资源分配时，如何使系统不进入不安全状态。

2）安全状态之例假设系统有三个进程，共有12台磁带机。

各进程的最大需求和T0时刻已分配情况如下表：答：T0时刻是安全的，因为存在安全序列：P2 →P1→ P3不安全序列：P1→…P3→…P2→P3→P13）由安全状态向不安全状态的转换如果不按照安全序列分配资源，则系统可能会由安全状态进入不安全状态。

例如，在T0时刻以后，P3又请求1台磁带机，若此时系统把剩余3台中的1台分配给P3，则系统便进入不安全状态。

因为，此时也无法再找到一个安全序列，例如，把其余的2台分配给P2，这样，在P2完成后只能释放出4台，既不能满足P1尚需5台的要求，也不能满足P3尚需6台的要求，致使它们都无法推进到完成，彼此都在等待对方释放资源，即陷入僵局，结果导致死锁。

2 利用银行家算法避免死锁1）银行家算法中的数据结构①可利用资源向量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，其初始值是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地改变。

如果Available［j］=K，则表示系统中现有Rj 类资源K 个。

② 最大需求矩阵Max 。

最大需求矩阵Max 。

这是一个n ×m 的矩阵，它定义了系统中n 个进程中的每一个进程对m 类资源的最大需求。

如果Max ［i,j ］=K ，则表示进程i 需要Rj 类资源的最大数目为K 。

③ 分配矩阵Allocation这也是一个n ×m 的矩阵，它定义了系统中每一类资源当前已分配给每一进程的资源数。

如果Allocation ［i,j ］=K ，则表示进程i 当前已分得R j 类资源的数目为K 。

④ 需求矩阵Need这也是一个n ×m 的矩阵，用以表示每一个进程尚需的各类资源数。

如果Need ［i,j ］=K ，则表示进程i 还需要Rj 类资源K 个，方能完成其任务。

Need ［i,j ］=Max ［i,j ］-Allocation ［i,j ］2）银行家算法设Requesti 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查：(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 ［j ］∶=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。

银行家算法的参考流程图如下： 3(1)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 ［j ］∶=Work ［i ］+Allocation ［i,j ］; Finish ［i ］∶=true;go to step （2）；(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。

安全性算法的参考流程图如下：#include <stdio.h> #include <conio.h> #include <stdlib.h>#define RESOURCE_MAXNUM 3 //资源数 #define THREAD_MAXNUM 3 //进程数//定义可利用资源向量 struct Available{int available[RESOURCE_MAXNUM];Y所有finish 都为true ？输出安全序列NY N存在Finish[i] =false &&Need[i][j]< Available[j] 初始化Work 和FinishFinish[i]=true ，Work[j]=Work[j]+ Allocation[j]所有进程都找完了？Y开始图 安全性算法流程图}res_ava;//最大需求矩阵struct Max{int max[THREAD_MAXNUM][RESOURCE_MAXNUM];}res_max;//已分配矩阵struct Allocation{int allocation[THREAD_MAXNUM][RESOURCE_MAXNUM]; }res_all;//需求矩阵struct Need{int need[THREAD_MAXNUM][RESOURCE_MAXNUM];}res_nee;//临时进程的资源分配序列int tmpSequence[THREAD_MAXNUM];//可能的一个安全序列int secSequence[THREAD_MAXNUM];//找到一个安全执行序列的标志int isFindSecQue = 0;//定义一系操作方法//进行显式地初始化操作void init();//打印操作void printInfo();//输入操作void input();//检测条件Need = Max - Allocationint check();//测试可得到的资源能否江足要求int check(int threadID,int need[THREAD_MAXNUM]); //当前待分配的进程需求void curThreadNeed();//更新操作void update(int thredID,int need[THREAD_MAXNUM]); //释放操作void release(int threadID);//安全性算法int security(int sequence[THREAD_MAXNUM]);//回溯得到进程执行序列，并执行安全性算法void backtrack();//交换数组中指定的两个值void swapArray(int arr[THREAD_MAXNUM],int pos1,int pos2);//拷贝数组void copyArray(int arr1[THREAD_MAXNUM],int arr2[THREAD_MAXNUM]); int main(){init();input();int checkres = check();if(checkres == 0){printf("输入有问题，确认后重新输入/n");exit(-1);}printInfo();curThreadNeed();printInfo();printf("执行安全性算法/nENTER键继续 .../n/n");getch();backtrack();if(isFindSecQue == 0)printf("未找到一个安全的进程执行序列/n");return 0;}void init(){int i,j;for(i = 0;i < THREAD_MAXNUM; ++i){for(j = 0;j < RESOURCE_MAXNUM; ++j){res_all.allocation[i][j] = 0;res_max.max[i][j] = 0;res_nee.need[i][j] = 0;}tmpSequence[i] = i;secSequence[i] = i;}for(j = 0;j < RESOURCE_MAXNUM; ++j){res_ava.available[j] = 0;}}void printInfo(){int i,j;printf("**********************当前资源分配**********************\n");printf("最大需求矩阵\t\t|分配矩阵\t\t|需求矩阵\n");for(i = 0;i < THREAD_MAXNUM; ++i){for(j = 0;j < RESOURCE_MAXNUM; ++j){printf("%d\t",res_max.max[i][j]);}for(j = 0;j < RESOURCE_MAXNUM; ++j){printf("%d\t",res_all.allocation[i][j]);}for(j = 0;j < RESOURCE_MAXNUM; ++j){printf("%d\t",res_nee.need[i][j]);}printf("\n");}printf("\n");printf("可利用资源向量\t\n");for(j = 0;j < RESOURCE_MAXNUM; ++j){printf("%d\t",res_ava.available[j]);}printf("\n");}void input(){int i,j;printf("输入当前可利用资源\n");for(j = 0;j < RESOURCE_MAXNUM; ++j){scanf("%d",&res_ava.available[j]);}printf("输入分配矩阵/n");for(i = 0;i < THREAD_MAXNUM; ++i){for(j = 0;j < RESOURCE_MAXNUM; ++j){scanf("%d",&res_all.allocation[i][j]);}printf("输入最大需求矩阵\n");for(i = 0;i < THREAD_MAXNUM; ++i){for(j = 0;j < RESOURCE_MAXNUM; ++j){scanf("%d",&res_max.max[i][j]);}}printf("输入需求矩阵\n");for(i = 0;i < THREAD_MAXNUM; ++i){for(j = 0;j < RESOURCE_MAXNUM; ++j){scanf("%d",&res_nee.need[i][j]);}}}int check(){int i,j;for(i = 0;i < THREAD_MAXNUM; ++i)for(j = 0;j < RESOURCE_MAXNUM; ++j){if(res_nee.need[i][j] != res_max.max[i][j] - res_all.allocation[i][j]){return 0;}}}return 1;}int check(int threadID,int need[THREAD_MAXNUM]){int i;for(i = 0;i<RESOURCE_MAXNUM; ++i){//当前需求向量要小于可获得资源向量及相应需求向量if(need[i] > res_ava.available[i] || need[i] > res_nee.need[threadID][i]) return 0;}return 1;}void curThreadNeed(){printf("输入当前进程的编号及所需的资源向量/n");int need;scanf("%d",&need);int res_need[RESOURCE_MAXNUM];int i;for(i = 0;i < RESOURCE_MAXNUM; ++i){scanf("%d",&res_need[i]);}printf("进程%d需要的资源向量为:/n",need);for(i = 0;i < RESOURCE_MAXNUM; ++i){printf("%d/t",res_need[i]);}printf("/n");if(check(need,res_need) == 0){printf("需求大于可获得的资源，请确定后再输入/n");exit(-1);}//更新操作update(need,res_need);}void update(int thredID,int need[THREAD_MAXNUM]) {int j;for(j = 0;j<RESOURCE_MAXNUM; ++j){res_ava.available[j] -= need[j];res_nee.need[thredID][j] -= need[j];res_all.allocation[thredID][j] += need[j];}}void release(int threadID){int i;for(i = 0;i < RESOURCE_MAXNUM; ++i){res_ava.available[i] += res_max.max[threadID][i];}}int security(int sequence[THREAD_MAXNUM]){//工作向量int Work[RESOURCE_MAXNUM];int i;for(i = 0;i < RESOURCE_MAXNUM; ++i){Work[i] = res_ava.available[i];}for(i = 0;i<THREAD_MAXNUM; ++i){//判断当前能否分配资源int canAllFlag = 1; //能分配的标志int j;for(j = 0; j< RESOURCE_MAXNUM; ++j){if(res_nee.need[sequence[i]][j] > Work[j]){canAllFlag = 0;break;}}if(canAllFlag == 0)return 0;//释放资源操作for(j = 0; j< RESOURCE_MAXNUM; ++j){Work[j] += res_all.allocation[sequence[i]][j];}}return 1;}void backtrack(){//若此序列为安全的序列if(security(tmpSequence) == 1){isFindSecQue = 1;copyArray(secSequence,tmpSequence);printf("找到一个安全序列/n");int i;for(i = 0 ;i< THREAD_MAXNUM; ++i){printf("%d/t",secSequence[i]);}printf("/n");};int j,i=0;for(j=0;j<THREAD_MAXNUM; ++j){swapArray(tmpSequence,i,j);swapArray(tmpSequence,i,j);}}void swapArray(int arr[THREAD_MAXNUM],int pos1,int pos2){int tmp;tmp = arr[pos1];arr[pos1] = arr[pos2];arr[pos2] = tmp;}void copyArray(int arr1[THREAD_MAXNUM],int arr2[THREAD_MAXNUM]) {int i;for(i = 0;i < THREAD_MAXNUM; ++i){arr1[i] = arr2[i];}}五、实验步骤1．设计并编写银行家算法模拟程序。