操作系统课程设计的模拟实现.docx

操作系统课程设计 银行家算法的模拟实现题目: 银行家算法的模拟实现 一、设计目的 本课程设计是学习完“操作系统原理”课程后进行的一次全面的综合训练，通过课程设计，更好地掌握操作系统的原理及实现方法，加深对操作系统基础理论和重要算法的理解，加强学生的动手能力。 二、设计内容 1)概述 用C或C+语言编制银行家算法通用程序，并检测所给状态的系统安全性。 1. 算法介绍:数据结构: 1) 可利用资源向量 Available; 2) 最大需求矩阵Max; 3) 分配矩阵Allocation; 4) 需求矩阵Need 2. 功能介绍 模拟实现Dijkstra的银行家算法以避免死锁的出现，分两部分组成: 第一部分:银行家算法(扫描); 第二部分:安全性算法。 2)设计原理 一(银行家算法的基本概念 1、死锁概念。 在多道程序系统中，虽可借助于多个进程的并发执行，来改善系统的资源利用率，提高系统的吞吐量，但可能发生一种危险?死锁。所谓死锁(Deadlock),是指多个进程在运行中因争夺资源而造成的一种僵局(Deadly_Embrace),当进程处于这种僵持状态时，若无外力作用，它们都将无法再向前推进。一组进程中，每个进程都无限等待被该组进程中另一进程所占有的资源，因而永远无法得到的资源，这种现象称为进程死锁，这一组进程就称为死锁进程。 2、关于死锁的一些结论: 参与死锁的进程最少是两个 (两个以上进程才会出现死锁) 参与死锁的进程至少有两个已经占有资源 参与死锁的所有进程都在等待资源 参与死锁的进程是当前系统中所有进程的子集 1 注:如果死锁发生，会浪费大量系统资源，甚至导致系统崩溃。 3、资源分类。 永久性资源: 可以被多个进程多次使用(可再用资源) 可抢占资源 不可抢占资源 临时性资源:只可使用一次的资源;如信号量,中断信号，同步信号等(可消耗性资源) “申请-分配-使用-释放”模式 4、产生死锁的四个必要条件:互斥使用(资源独占)、不可强占(不可剥夺)、请求和保持(部分分配，占有申请)、循环等待。 1) 互斥使用(资源独占) 一个资源每次只能给一个进程使用。 2) 不可强占(不可剥夺) 资源申请者不能强行的从资源占有者手中夺取资源，资源只能由占有者自愿释放。 3) 请求和保持(部分分配，占有申请) 一个进程在申请新的资源的同时保持对原有资源的占有(只有这样才是动态申请，动态分配)。 4) 循环等待 存在一个进程等待队列 P1 , P2 , , Pn, 其中P1等待P2占有的资源，P2等待P3占有的资源，Pn等待P1占有的资源，形成一个进程等待环路。 5、死锁预防: 定义:在系统设计时确定资源分配算法，保证不发生死锁。具体的做法是破坏产生死锁的四个必要条件之一。 ?破坏“不可剥夺”条件 在允许进程动态申请资源前提下规定，一个进程在申请新的资源不能立即得到满足而变为等待状态之前，必须释放已占有的全部资源，若需要再重新申请 ?破坏“请求和保持”条件。 要求每个进程在运行前必须一次性申请它所要求的所有资源，且仅当该进程2 所要资源均可满足时才给予一次性分配。 ?破坏“循环等待”条件 采用资源有序分配法: 把系统中所有资源编号，进程在申请资源时必须严格按资源编号的递增次序进行，否则操作系统不予分配。 6(安全状态与不安全状态 安全状态: 如果存在一个由系统中所有进程构成的安全序列P1，Pn，则系统处于安全状态。一个进程序列P1，Pn是安全的，如果对于每一个进程Pi(1?i?n)，它以后尚需要的资源量不超过系统当前剩余资源量与所有进程Pj (j i )当前占有资源量之和，系统处于安全状态 (安全状态一定是没有死锁发生的) 不安全状态:不存在一个安全序列，不安全状态一定导致死锁。 二(银行家算法 1、银行家算法中的数据结构 1)可利用资源向量Available 它是一个含有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数目。其数值随该类资源的分配和回收而动态地改变。如果Availablej=K,则表示系统中现有Rj类资源K个。 2)最大需求短阵Max 这是个nm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，表示进程i需要Rj类资源的最大数目为K。 3)分配短阵Allocation 这是一个nm的矩阵，它定义了系统中每一类资源当前已分配给每个进程的资源数。如果Allocation(i,j),K，表示进程i当前已分得Rj类资源的数目为K。 4)需求矩阵Need 它是一个nm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 2、银行家算法 设Requesti是进程Pi的请求向量。如果Requestij,k，表示进程只需要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 Requestij=Needi,j，则转向步骤2;否则，认为出错，因为它所3 需要的资源数已超过它所宣布的最大值。 2)如果Requestij=Availablej ，则转向步骤3;否则，表示系统中尚无足够的资源，Pi必须等待。 3)系统试探把要求的资源分配给进程Pi，并修改下面数据结构中的数值: Availablej:=Availablej-Requestij; Allocationi,j:=Allocationi,j+Requestij; Needi,j:=Needi,j-Requestij; 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，将试探分配作废，恢复原来的资源分配状态，让进程Pi等待。 3、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 ?、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数目，它含有m个元素，执行安全算法开始时，Work = Available。 ?、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Finishi:=false ;当有足够资源分配给进程时，令 Finishi:=true。 2)从进程集合中找到一个能满足下述条件的进程: ?、Finishi=false; ?、Needi,j=Workj;如找到，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: Workj:=Worki+Allocationi,j; Finishi:=true; goto step 2; 4)如果所有进程的Finishi:=true，则表示系统处于安全状态;否则，系统处于不安全状态。 三(银行家算法之例 假定系统中有五个进程:P0，P1，P2，P3，P4和三种类型的资源A，B，C，每一种资源的数量分别为10、5、7,在T0时刻的资源分配情况如图1所示。 4 资源情况 Max Allocation Need Available 进程 A B C A B C A B C A B C P0 7 5 3 0 1 0 7 4 3 3 3 2 (2 3 0) P1 3 2 2 2 0 0 1 2 2 (3 0 2) (0 2 0) P2 9 0 2 3 0 2 6 0 0 P3 2 2 2 2 1 1 0 1 1 P4 4 3 3 0 0 2 4 3 1 图1 T0时刻的资源分配表 (1)T0时刻的安全性:利用安全性算法对T0时刻的资源分配情况进行分析(如图2)可知，在T0时刻存在着一个安全序列,P1，P3，P4，P2，P0,，故系统是安全的。 资源情况 Work Need Allocation Work+Allocation Finish 进程 A B C A B C A B C A B C P1 3 3 2 1 2 2 2 0 0 5 3 2 true true P3 5 3 2 0 1 1 2 1 1 7 4 3 true P4 7 4 3 4 3 1 0 0 2 7 4 5 true P2 7 4 5 6 0 0 3 0 2 10 4 7 true P0 10 4 7 7 4 3 0 1 0 10 5 7 图2 T0时刻的安全序列 (2)P1请求资源:P1发出请求向量Request1(1,0,2),系统按银行家算法进行检查: ?Request1(1,0,2)=Need1(1,2,2) ?Request1(1,0,2)=Available1(3,3,2) ?系统先假定可为P1分配资源，并修改Available,Allocation1和Need1向量，由此形成资源变化情况如图1中的圆括号所示。 ?再利用安全性算法检查此时系统是否安全。如图3所示。 资源情况 Work Need Allocation Work+Allocation Finish 进程 A B C A B C A B C A B C P1 2 3 0 0 2 0 3 0 2 5 3 2 true true P3 5 3 2 0 1 1 2 1 1 7 4 3 true P4 7 4 3 4 3 1 0 0 2 7 4 5 true P0 7 4 5 7 4 3 0 1 0 7 5 5 true P2 7 5 5 6 0 0 3 0 2 10 5 7 图3 P1申请资源时的安全性检查 由所进行的安全性检查得知，可以找到一个安全序列,P1,P3,P4,P2,P0,。因此系统是安全的，可以立即将P1所申请的资源分配给它。 (3)P4请求资源:P4发出请求向量Request4(3,3,0),系统按银行家算法进行检查: ?Request4(3,3,0)?Need4(4,3,1); ?Request4(3,3,0)不小于等于Available(2,3,0),让P4等待。 (4)P0请求资源:P0发出请求向量Request0(0,2,0),系统按银行家算法进行检查。 5 ?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，如图4所示。 资源情况 Allocation Need Available 进程 A B C A B C A B C P0 0 3 0 7 3 2 2 1 0 P1 3 0 2 0 2 0 P2 3 0 2 6 0 0 P3 2 1 1 0 1 1 P4 0 0 2 4 3 2 图4 为P0分配资源后的有关资源数据 (5)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。 3)详细设计及编码 1)银行家算法流程图 6 2)程序源代码 #include #include #include #include /定义全局变量 const int x=20,y=20; /常量，便于修改 int Availablex; /各资源可利用的数量 int Allocationyy; /各进程当前已分配的资源数量 int Maxyy; /各进程对各类资源的最大需求数 int Needyy; /尚需多少资源 7 int Requestx; /申请多少资源 int Workx; /工作向量，表示系统可提供给进程继续运行所需的各类资源数量 int Finishy; /表示系统是否有足够的资源分配给进程，1为是 int py; /存储安全序列 int i,j; /i表示进程，j表示资源 int n,m; /n为进程i的数量,m为资源j种类数 int l=0; /l用来记录有几个进程是Finishi=1的，当l=n是说明系统状态是安全的 int counter=0; /函数声明 void chushihua(); /初始化函数 void safe(); /安全性算法 void show(); /函数show,输出当前状态 void bank(); /银行家算法 /void jieshu(); /结束函数 void chushihua() coutn; coutm; coutendl输入各种资源当前可用的数量( m 种): endl; for (j=0; jm; j+) cout输入资源 j 可利用的数量AvailablejAvailablej; /输入数字的过程. Workj=Availablej; /初始化Workj，它的初始值就是当前可用的资源数 coutendl输入各进程当前已分配的资源数量Allocationnm: endl; for (i=0; in; i+) for (j=0; jm; j+) cout 输入进程 i 当前已分配的资源 jAllocationij; coutendl; Finishi=0;/初始化Finishi 8 coutendl输入各进程对各类资源的最大需求Maxnm: endl; for (i=0; in; i+) for (j=0; jm; j+) cout 输入进程 i 对资源 jMaxij; if(Maxij=Allocationij) /若最大需求大于已分配，则计算需求量 Needij = Maxij-Allocationij; else Needij=0;/Max小于已分配的时候，此类资源已足够不需再申请 coutendl; coutendl初始化完成endl; /安全性算法函数 void safe() l=0; for (i=0; in;i+) /i+ if (Finishi=0) /逐个查找Finishi=0的进程 条件一 counter=0; /记数器 for (j=0; j=Needij) counter=counter+1;/可用大于需求，记数 if(counter=m) /i进程的每类资源都符合Workj=Needij 条件二 pl=i; /存储安全序列 Finishi=1; /i进程标志为可分配 for (j=0; jm;j+) Workj=Workj+Allocationij; /释放资源 l=l+1; /记数,现在有L个进程是安全的，当L=N时说明满足安全序列 9 i= -1; /从第一个进程开始继续寻找满足条件一二的进程 /显示当前状态函数 void show() /函数show,输出当前资源分配情况 int i,j; /局部变量 int Ally; /各种资源的总数量 cout当前的状态为:endl; cout各种资源的总数量:endl; for (j=0;jm;j+) cout 资源j: ; Allj=Availablej; /总数量=可用的+已分配的 for (i=0;in;i+) Allj+=Allocationij; coutAllj ; coutendl当前各种资源可用的量为(available):endl; for (j=0;jm;j+) cout 资源j: Availablej ; coutendl各进程已经得到的资源量(allocation): endl; for (j=0;jm;j+) coutt资源j; coutendl; for(i=0;in;i+) cout进程i:; for (j=0;jm;j+) coutt Allocationij; coutendl; coutendl各进程还需要的资源量(need):endl; for (j=0;jm;j+) coutt资源j; coutendl; for(i=0;in;i+) cout进程i:; for (j=0;jm;j+) coutt Needij; coutendl; 10 /银行家算法函数 void bank() coutendl进程申请分配资源:endl; int k=0; /用于输入进程编号 bool r=false; / 初值为假，输入Y继续申请则置为真 do/输入请求 cout输入申请资源的进程(0-n-1k; coutn-1) /输入错误处理 coutendl输入错误，重新输入:endl; coutendl输入申请资源的进程(0-n-1k; coutendl; coutendl输入该进程申请各类资源的数量: endl; for (j=0; jm; j+) do /dowhile 循环判断申请输入的情况 cout进程 k 申请资源jRequestj; coutNeedkj) /申请大于需求量时出错，提示重新输入(贷款数目不允许超过需求数目) cout申请大于需要量!endl; cout申请的资源j的数量为Requestj,大于 进程k对该资源需求量Needkj。endl; cout重新输入!Availablej) /申请大于可利用量， 应该阻塞等待, , coutn没有那么多资源，目前可利用资源j数量为Availablej,本次申请不成功，进程等待!Needkj); 11 /RequestjAvailablej| /改变Avilable、Allocation、Need的值 for (j=0; jm; j+) Availablej = Availablej-Requestj; Allocationkj = Allocationkj+Requestj; Requestj; Needkj = Needkj-Workj = Availablej; /判断当前状态的安全性 safe(); /调用安全性算法函数 if (ln) l=0; coutn试分配后，状态不安全,所以不予分配!恢复原状态endl; /恢复数据 for (j=0; jm; j+) Availablej = Availablej+Requestj; Allocationkj = Allocationkj-Requestj; Needkj = Needkj+Requestj; Workj = Availablej; for (i=0; in; i+) Finishi=0; /进程置为未分配状态 else l=0; coutn申请资源成功!endl; for(j=0;jm;j+) if(Needkj=0); else /有一种资源还没全部申请到，则该进程不可执行，不能释放拥有的资源 l=1; /置l为1，作为判断标志 break; if(l!=1) /进程可以执行，则释放该进程的所有资源 12 for (j=0;jm;j+) Availablej=Availablej+Allocationkj; Allocationkj=0; cout该进程已得到所有需求资源，执行后将释放其所有拥有资源endl; l=0; /归零 coutn安全的状态!endl; cout安全序列为: ; coutendl进程(p0); /输出安全序列，考虑显示格式，先输出第一个 Finish0=0; for (i=1; in; i+) cout进程(pi); 进程置为未分配状态 Finishi=0; /所有 coutendlendl; show(); /显示当前状态 ppp: /申请大于可利用量， 应该阻塞等待,结束本次资源申请，GOTO 语句跳转至此 coutendl是否继续申请资源(y/n) ?; char* b=new char; /输入y/n，判断是否继续申请 b; coutendl; cout-endlendl; coutendl; if(*b=y|*b=Y) r=true; else / r=false; /输入非 Y 则令 R =false / jieshu(); /调用结束函数 / while (r=true); /结束函数 /void jieshu() / / coutendlendl; / couttt 演示计算完毕endl; 13 / coutendlendl; / /主函数 int main() coutendlendltttt模拟银行家算法endlendl; chushihua(); /初始化函数调用 coutendl; show(); /输出当前状态 safe(); /判断当前