银行家算法模拟实现

1、操作系统课程设计报告专业计算机科学与技术学生姓名 班级 计算机科学与技术 学号 指导教师 完成日期2014.3.20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Need2. 功能介绍模拟实现Dij

2、kstra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

3、： 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 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） l 可抢占资源 l 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

4、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

5、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(1in），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

6、)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）

7、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Requestijk，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

8、 Requestij=Needi,j，则转向步骤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P

9、i，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）

10、；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。 资源情况进程MaxAllocationNeedAvailableA B CA B CA B CA B CP07 5

11、 30 1 07 4 33 3 2(2 3 0)P13 2 22 0 0(3 0 2)1 2 2(0 2 0)P29 0 23 0 26 0 0P32 2 22 1 10 1 1P44 3 30 0 24 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。 资源情况进程WorkNeedAllocationWork+AllocationFinishA B CA B CA B CA B CP13 3 21 2 22 0 05 3 2truetruetruet

12、ruetrueP35 3 20 1 12 1 17 4 3P47 4 34 3 10 0 27 4 5P27 4 56 0 03 0 210 4 7P010 4 77 4 30 1 010 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

13、此时系统是否安全。如图3所示。 资源情况进程WorkNeedAllocationWork+AllocationFinishA B CA B CA B CA B CP12 3 00 2 03 0 25 3 2truetruetruetruetrueP35 3 20 1 12 1 17 4 3P47 4 34 3 10 0 27 4 5P07 4 57 4 30 1 07 5 5P27 5 56 0 03 0 210 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

14、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。 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。 资源情况进程AllocationNeedAvailableA B CA B CA B

15、 CP00 3 07 3 22 1 0P13 0 20 2 0P23 0 26 0 0P32 1 10 1 1P40 0 24 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2）程序源代码#include#include#include#define False 0#define True 1int Max100100=0;/各进程所需各类资源的最大需求int Avaliable100=0;/系统可用资源char name100=0

16、;/资源的名称int Allocation100100=0;/系统已分配资源int Need100100=0;/还需要资源int Request100=0;/请求资源向量int temp100=0;/存放安全序列int Work100=0;/存放系统可提供资源int M=100;/作业的最大数为100int N=100;/资源的最大数为100void showdata()/显示资源矩阵 int i,j; cout系统目前可用的资源Avaliable:endl; for(i=0;iN;i+) coutnamei ; coutendl; for (j=0;jN;j+) coutAvaliablej

17、 ;/输出分配资源 coutendl; cout Max Allocation Needendl; cout进程名 ; for(j=0;j3;j+) for(i=0;iN;i+) coutnamei ; cout ; coutendl; for(i=0;iM;i+) cout i ; for(j=0;jN;j+) coutMaxij ; cout ; for(j=0;jN;j+) coutAllocationij ; cout ; for(j=0;jN;j+) coutNeedij ; coutendl; int changdata(int i)/进行资源分配 int j;for (j=0;j

18、M;j+) Avaliablej=Avaliablej-Requestj; Allocationij=Allocationij+Requestj; Needij=Needij-Requestj;return 1;int safe()/安全性算法int i,k=0,m,apply,Finish100=0;int j;int flag=0;Work0=Avaliable0;Work1=Avaliable1;Work2=Avaliable2;for(i=0;iM;i+) apply=0; for(j=0;jN;j+) if (Finishi=False&Needij=Workj) apply+; i

19、f(apply=N) for(m=0;mN;m+) Workm=Workm+Allocationim;/变分配数 Finishi=True; tempk=i; i=-1; k+; flag+; for(i=0;iM;i+) if(Finishi=False) cout系统不安全endl;/不成功系统不安全 return -1; cout系统是安全的!endl;/如果安全，输出成功 cout分配的序列:;for(i=0;iM;i+)/输出运行进程数组 couttempi; if(iM-1) cout; coutendl; return 0;void share()/利用银行家算法对申请资源对进行

20、判定char ch;int i=0,j=0;ch=y;cout请输入要求分配的资源进程号(0-M-1i;/输入须申请的资源号cout请输入进程 i 申请的资源:endl;for(j=0;jN;j+) coutnamejRequestj;/输入需要申请的资源 for (j=0;jNeedij)/判断申请是否大于需求，若大于则出错 cout进程 i申请的资源大于它需要的资源; cout 分配不合理，不予分配！Avaliablej)/判断申请是否大于当前资源，若大于则 /出错 cout进程i申请的资源大于系统现在可利用的资源; cout 分配出错，不予分配!endl; ch=n; break; if

21、(ch=y) changdata(i);/根据进程需求量变换资源 showdata();/根据进程需求量显示变换后的资源 safe();/根据进程需求量进行银行家算法判断 void addresources()/添加资源 int n,flag;coutn;flag=N;N=N+n;for(int i=0;in;i+) coutnameflag; coutAvaliableflag+;showdata();safe();void delresources()/删除资源char ming;int i,flag=1;coutming;for(i=0;iN;i+) if(ming=namei) fla

22、g=0; break; if(i=N) cout该资源名称不存在，请重新输入：;while(flag);for(int j=i;jN-1;j+) namej=namej+1; Avaliablej=Avaliablej+1; N=N-1;showdata();safe();void changeresources()/修改资源函数cout系统目前可用的资源Avaliable:endl; for(int i=0;iN;i+) coutnamei:Avaliableiendl;cout输入系统可用资源Avaliable:Avaliable0Avaliable1Avaliable2;cout经修改后

23、的系统可用资源为endl;for (int k=0;kN;k+) coutnamek:Avaliablekendl;showdata();safe();void addprocess()/添加作业 int flag=M;M=M+1;cout请输入该作业的最打需求量Maxendl;for(int i=0;iN;i+) coutnameiMaxflagi; Needflagi=Maxflagi-Allocationflagi;showdata();safe();int main()/主函数 int i,j,number,choice,m,n,flag;char ming;cout*单处理机系统进程

24、调度实现*endl;coutn;N=n;for(i=0;in;i+) cout资源i+1ming; namei=ming; coutnumber; Avaliablei=number;coutendl;coutm;M=m;cout请输入各进程的最大需求量(m*n矩阵)Max:endl;for(i=0;im;i+) for(j=0;jMaxij;do flag=0; cout请输入各进程已经申请的资源量(m*n矩阵)Allocation:endl; for(i=0;im;i+) for(j=0;jAllocationij; if(AllocationijMaxij) flag=1; Needij=Maxij-Allocationij; if(flag) cout申请的资源大于最大需求量，请重新输入!n;while(flag); showdata();/显示各种资