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1 实验目的
- 熟练Linux系统编程操作
- 了解死锁避免的原理。
- 研究银行家算法的实现方法。
2 实验任务
最有代表性的避绝死锁的算法是迪杰斯特拉（Dijkstra）提出的银行家算法。该名字的由来是，该算法原本为银行系统而设计，以确保银行在发放现金货款时不会发生不能满足所有客户需要的情况。在 操作系统（OS） 中也可用它来避免死锁。
为实现银行家算法，每个新进程在进人系统时，其都必须申明在运行过程中可能需要每种资源类型的最大单元数目，该数目不应超过系统所拥有的资源总数。当进程清求一组资源时，系统须首先确定是否有足够的资源可分配给该进程。若有，则进一步计算在将这些资源分配给该进程后，系统是否会处于不安全状态。如果不会，则将资源分配给该进程，否则让该进程等待。
该实验要求编程实现银行家算法，具体要求如下：
- 模拟一个银行家算法： 设置数据结构、安全性算法
- 初始化时让系统拥有一定的资源
- 用键盘输入的方式申请资源
- 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
- 如果预分配后，系统处于不安全状态，则提示不能满足请求
3 思路分析
总体思路：先对用户提出的请求进行合法性检查，即检查请求的是不大于需要的，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。
3.1 数据结构
为了实现银行家算法，必须在系统中设置 4 个数据结构，它们分別描述：系统中可利用的资源、所有进程对资源的最大需求、系统中的资源分配情况以及所有进程还需要多少资源：
- 可利用资源向量
Available：这是一个含有 m 个元素的数组，其中的每个元素代表一类可利用的资源数目，其初值是系统中所配置的该类全部可用资源的数目，该数目会随对应资源的分配和回收而动态改变。如果Available[j]=K，则表示系统中现有 j 类资源 k 个。 - 最大需求矩阵
Max：这是一个 n × m n \times m n×m 的矩阵，它定义了系统中 n 个进程中的每个进程对 m 类资源的最大需求。如果Max[i,j]=K，则表示进程 i 需要 j 类资源的最大数目为 K。 - 分配矩阵
Allocation：这是一个 n × m n \times m n×m 的矩阵，它定义了系统中每类资源当前己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 j 类资源的数目为K。 - 需求矩阵
Need：这是一个 n × m n \times m n×m 的矩阵，用于表示每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 j 类资源 K 个方能完成其任务。
上述 3 个矩阵间存在下列关系：
N
e
e
d
[
i
,
j
]
=
M
a
x
[
i
,
j
]
−
A
l
l
o
c
a
t
i
o
n
[
i
,
j
]
Need[i,j]=Max[i,j]-Allocation[i,j]
Need[i,j]=Max[i,j]−Allocation[i,j]
3.2 银行家算法
设 Request 是进程 P 的请求向量，如果 Request[j]=K，则表示进程 i 需要 K 个 j 类型的资源。当进程 i 发出资源请求后，系统会按下列步骤进行检查。
-
如果
Request[i]≤Need[i,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。 -
如果
Request[i]≤Available[i,j]，则转向步骤 3；否则表示尚无足够资源，进程 i 必须等待。 -
系统试探着把资源分配给进程 i，并修改下数据结构中的数值：
A v a i l a b l e [ i , j ] = A v a i l a b l e [ i , j ] − R e q u e s t [ i , j ] Available[i,j] = Available[i,j]-Request[i,j] Available[i,j]=Available[i,j]−Request[i,j]A l l o c a t i o n [ i , j ] = A l l o c a t i o n [ i , j ] + R e q u e s t [ i , j ] Allocation[i,j] = Allocation[i,j]+Request[i,j] Allocation[i,j]=Allocation[i,j]+Request[i,j]
N e e d [ i , j ] = N e e d [ i , j ] − R e q u e s t [ i , j ] Need[i,j] = Need[i,j]-Request[i,j] Need[i,j]=Need[i,j]−Request[i,j]
-
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。若是，则正式将资源分配给进程 i，以完成本次分配；否则，将本的试探分配作废，恢复原来的资源分配状态，让进程 i 等待。
3.3 安全性算法
系统所执行的安全性算法可描述如下：
-
设置两个向量。第一，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，在开始执行安全算法时，Work=Availabie。第二，完成向量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。开始时先令Finish[i]=FALSE；当有足够的资源可分配给进程时，再令Finish[i]=TRUE。 -
从进程集合中寻找一个能满足下述条件的进程：①
Finish[i]=FALSE; ②Need[i,j]≤Work[j]。若能找到，则执行步骤 3；否则，执行步骤 4。 -
当进程 i 获得资源后，可顺利执行直至完成，并释放分配给它的资源，故应执行：
W o r k [ j ] = W o r k [ j ] + A l l o c a t i o n [ i , k ] Work[j]= Work[j]+Allocation[i,k] Work[j]=Work[j]+Allocation[i,k]F i n i s h [ i ] = T R U E Finish[i]= TRUE Finish[i]=TRUE
g o t o s t e p 2 go \ to \ step \ 2 go to step 2
-
如果所有进程都满足
Finish[i]=TRUE，则表示系统处于安全状态；否则，系统处于不安全状态。
4 代码实现
4.1 头文件
首先，我们包含实现问题所需的头文件：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
4.2 预定义和数据结构
我们定义了预定义了最大进程个数 MAXN，系统最大资源个数 MAXM，以及思路分析中给出的 Available，Max，Allocation，Need 数组，以及实际进程数 N，系统资源数 M：
#define MAXN 100
#define MAXM 100
#define False 0
#define True 1
int N;
int M;
int Avaliable[MAXM];
int Max[MAXN][MAXM];
int Allocation[MAXN][MAXM];
int Need[MAXN][MAXM];
4.3 初始化函数
我们采取从控制台录入的方式读取 Max 和 Allocation 数组的值，并由此计算出 Need 和 Available 的值，具体实现如下：
void Initialize()
{
int i,j;
printf("input process number: ");
scanf("%d",&N);
printf("input system resource categories: ");
scanf("%d",&M);
for(i=0;i<M;i++)
{
printf("input system resource %d number: ", i);
scanf("%d",&Avaliable[i]);
}
printf("input MAX matrix (%d * %d):\n",N,M);
for(i=0;i<N;i++)
{
for(j=0;j<M;j++)
{
scanf("%d",&Max[i][j]);
}
}
int total[MAXM]={0};
printf("input Allocation matrix (%d * %d):\n",N,M);
for(i=0;i<N;i++)
{
for(j=0;j<M;j++)
{
scanf("%d",&Allocation[i][j]);
if(Allocation[i][j]>Max[i][j])
{
printf("bad allocation value!\n");
exit(0);
}
}
}
for(i=0;i<N;i++)
{
for(j=0;j<M;j++)
{
Need[i][j]=Max[i][j]-Allocation[i][j];
Avaliable[j]-=Allocation[i][j];
}
}
printf("\n");
}
4.4 展示数据
以表格的方式展示 Available，Max，Allocation，Need 矩阵的内容，实现代码如下：
void ShowData()
{
int i,j;
printf("Describe:\n");
printf("Avaliable: ");
for (j=0;j<M;j++)
{
printf("%d ", Avaliable[j]);
}
printf("\n");
printf("|Proc\t|Max\t|Alloc\t|Need\n");
for(i=0;i<N;i++)
{
printf("|%d\t|",i);
for(j=0;j<M;j++)
{
printf("%d ",Max[i][j]);
}
printf("\t|");
for(j=0;j<M;j++)
{
printf("%d ",Allocation[i][j]);
}
printf("\t|");
for(j=0;j<M;j++)
{
printf("%d ",Need[i][j]);
}
printf("\n");
}
}
4.5 安全性算法
-
给定系统的某个状态（即：
Available，Max，Allocation，Need矩阵的内容），通过 3.3 的安全性算法检查当前的状态是否为安全状态：若是，则返回True，同时输出安全序列Security；若不是，则返回False； -
我们设置了一个函数
Condition()用于检查工作向量Work，是否满足某个进程 i 的Need需求。 -
我们设置了一个函数
Release()用于模拟进程执行完成后释放资源的情形。
具体实现代码如下：
int Condition(int Work[MAXM],int i)
{
int j;
for(j=0;j<M;j++)
{
if(Work[j]<Need[i][j]) return False;
}
return True;
}
void Release(int Work[MAXM],int i)
{
int j;
for(j=0;j<M;j++)
{
Work[j]+=Allocation[i][j];
}
}
int Safe()
{
int i,j,k;
int Security[MAXN];
int Work[MAXM];
int Finish[MAXN];
printf("check system status...\n");
for (i=0;i<N;i++)
{
Finish[i]=False;
}
for (j=0;j<M;j++)
{
Work[j]=Avaliable[j];
}
for(i=0,k=0;i<N;i++)
{
if(Finish[i]==False)
{
if(Condition(Work,i)==True)
{
Release(Work,i);
Finish[i]=True;
Security[k++]=i;
if(k==N) break;
i=-1;
}
}
}
for(i=0;i<N;i++)
{
if(Finish[i]==False)
{
printf("system is not safe!\n");
return False;
}
}
printf("system is safe!\n");
printf("safe sequence: ");
for(i=0;i<N;i++)
{
printf("%d",Security[i]);
if(i<N-1) printf("->");
}
printf("\n");
return True;
}
4.6 银行家算法
给定进程 i 的请求向量 Request 我们按照 3.2 中的思路编写银行家算法，并在处理完请求后调用 4.4 中 ShowData() 函数展示数据，具体实现如下：
void Bank()
{
int i,j,k;
int Request[MAXM];
printf("input process id to request resource (0-%d): ",N-1);
scanf("%d",&i);
printf("input Request number (vector): ");
for(j=0;j<M;j++)
{
scanf("%d",&Request[j]);
}
for (j=0;j<M;j++)
{
if(Request[j]>Need[i][j])
{
printf("bad request number (request number beyond Need)\n");
ShowData();
return;
}
if(Request[j]>Avaliable[j])
{
printf("bad request number (request number beyond Avaliable), process waiting\n");
ShowData();
return;
}
}
printf("try to allocate resources...\n");
for(j=0;j<M;j++)
{
Avaliable[j]-=Request[j];
Allocation[i][j]+=Request[j];
Need[i][j]-=Request[j];
}
if(Safe()==False)
{
for (j=0;j<M;j++)
{
Avaliable[j]+=Request[j];
Allocation[i][j]-=Request[j];
Need[i][j]+=Request[j];
}
printf("request refused!\n");
}
ShowData();
}
4.7 主函数
首先我们调用 Initialize() 函数初始化各个矩阵的值，之后运行安全性算法检查当前状态是否安全；进一步输入进程的请求向量调用 Bank()，检查请求的合法性。直到用户输入 n，程序结束，具体代码如下：
int main()
{
char ch='y';
Initialize();
ShowData();
Safe();
while(1)
{
if(ch=='y') Bank();
else if(ch=='n') break;
else printf("bad choice!\n");
printf("continue to request resources (y/n)? ");
getchar();
ch = getchar();
}
}
4.8 实验代码
完整实验代码如下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define MAXN 100
#define MAXM 100
#define False 0
#define True 1
int N;
int M;
int Avaliable[MAXM];
int Max[MAXN][MAXM];
int Allocation[MAXN][MAXM];
int Need[MAXN][MAXM];
void Initialize()
{
int i,j;
printf("input process number: ");
scanf("%d",&N);
printf("input system resource categories: ");
scanf("%d",&M);
for(i=0;i<M;i++)
{
printf("input system resource %d number: ", i);
scanf("%d",&Avaliable[i]);
}
printf("input MAX matrix (%d * %d):\n",N,M);
for(i=0;i<N;i++)
{
for(j=0;j<M;j++)
{
scanf("%d",&Max[i][j]);
}
}
int total[MAXM]={0};
printf("input Allocation matrix (%d * %d):\n",N,M);
for(i=0;i<N;i++)
{
for(j=0;j<M;j++)
{
scanf("%d",&Allocation[i][j]);
if(Allocation[i][j]>Max[i][j])
{
printf("bad allocation value!\n");
exit(0);
}
}
}
for(i=0;i<N;i++)
{
for(j=0;j<M;j++)
{
Need[i][j]=Max[i][j]-Allocation[i][j];
Avaliable[j]-=Allocation[i][j];
}
}
printf("\n");
}
void ShowData()
{
int i,j;
printf("Describe:\n");
printf("Avaliable: ");
for (j=0;j<M;j++)
{
printf("%d ", Avaliable[j]);
}
printf("\n");
printf("|Proc\t|Max\t|Alloc\t|Need\n");
for(i=0;i<N;i++)
{
printf("|%d\t|",i);
for(j=0;j<M;j++)
{
printf("%d ",Max[i][j]);
}
printf("\t|");
for(j=0;j<M;j++)
{
printf("%d ",Allocation[i][j]);
}
printf("\t|");
for(j=0;j<M;j++)
{
printf("%d ",Need[i][j]);
}
printf("\n");
}
}
int Condition(int Work[MAXM],int i)
{
int j;
for(j=0;j<M;j++)
{
if(Work[j]<Need[i][j]) return False;
}
return True;
}
void Release(int Work[MAXM],int i)
{
int j;
for(j=0;j<M;j++)
{
Work[j]+=Allocation[i][j];
}
}
int Safe()
{
int i,j,k;
int Security[MAXN];
int Work[MAXM];
int Finish[MAXN];
printf("check system status...\n");
for (i=0;i<N;i++)
{
Finish[i]=False;
}
for (j=0;j<M;j++)
{
Work[j]=Avaliable[j];
}
for(i=0,k=0;i<N;i++)
{
if(Finish[i]==False)
{
if(Condition(Work,i)==True)
{
Release(Work,i);
Finish[i]=True;
Security[k++]=i;
if(k==N) break;
i=-1;
}
}
}
for(i=0;i<N;i++)
{
if(Finish[i]==False)
{
printf("system is not safe!\n");
return False;
}
}
printf("system is safe!\n");
printf("safe sequence: ");
for(i=0;i<N;i++)
{
printf("%d",Security[i]);
if(i<N-1) printf("->");
}
printf("\n");
return True;
}
void Bank()
{
int i,j,k;
int Request[MAXM];
printf("input process id to request resource (0-%d): ",N-1);
scanf("%d",&i);
printf("input Request number (vector): ");
for(j=0;j<M;j++)
{
scanf("%d",&Request[j]);
}
for (j=0;j<M;j++)
{
if(Request[j]>Need[i][j])
{
printf("bad request number (request number beyond Need)\n");
ShowData();
return;
}
if(Request[j]>Avaliable[j])
{
printf("bad request number (request number beyond Avaliable), process waiting\n");
ShowData();
return;
}
}
printf("try to allocate resources...\n");
for(j=0;j<M;j++)
{
Avaliable[j]-=Request[j];
Allocation[i][j]+=Request[j];
Need[i][j]-=Request[j];
}
if(Safe()==False)
{
for (j=0;j<M;j++)
{
Avaliable[j]+=Request[j];
Allocation[i][j]-=Request[j];
Need[i][j]+=Request[j];
}
printf("request refused!\n");
}
ShowData();
}
int main()
{
char ch='y';
Initialize();
ShowData();
Safe();
while(1)
{
if(ch=='y') Bank();
else if(ch=='n') break;
else printf("bad choice!\n");
printf("continue to request resources (y/n)? ");
getchar();
ch = getchar();
}
}
5 实验结果
我们通过gcc编译器编译源程序bank.c，生成目标文件bank
我们从控制台输入命令$ ./bank运行程序，录入矩阵的初始值：
程序自动运行安全性算法，得到结果如下：
系统检查为安全，安全序列为 1->3->0->2->4。
之后我们录入一组数据模拟 1 号进程的请求，得到结果：
系统仍为安全的，安全序列为 1->3->0->2->4，并且已经为 1 号进程分配了相应的资源。
我们再录入一组数据模拟 4 号进程请求资源，得到结果：
由于 4 号进程的请求资源超过了系统的可利用资源，故进程需要等待。
我们再录入一组数据模拟 0 号进程请求资源，得到结果：
由于给 0 号进程分配资源后系统状态不安全，故系统拒绝了请求。
最后我们输入 n 退出了程序，程序测试通过。
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