银行家算法模拟实现

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2014.3.201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）2参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）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。35、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。①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②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。③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(ji)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Available[j]=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，表示进程i需要Rj类资源的最大数目为K。3）分配短阵Allocation4这是一个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。上述三个矩阵间存在下述关系：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Requesti[j]=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。2）如果Requesti[j]=Available[j]，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：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①、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。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，令Finish[i]:=true。52）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];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：Work[j]:=Work[i]+Allocation[i,j];Finish[i]:=true;gotostep2；4）如果所有进程的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。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MaxAllocationNeedAvailableABCABCABCABCP0753010743332(230)P1322200(302)122(020)P2902302600P3222211011P4433002431图1T0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+AllocationFinishABCABCABCABCP1332122200532truetruetruetruetrueP3532011211743P4743431002745P27456003021047P0104774301010576图2T0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：①Request1(1,0,2)=Need1(1,2,2)②Request1(1,0,2)=Available1(3,3,2)③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。④再利用安全性算法检查此时系统是否安全。如图3所示。资源情况进程WorkNeedAllocationWork+AllocationFinishABCABCABCABCP1230020302532truetruetruetruetrueP3532011211743P4743431002745P0745743010755P27556003021057图3P1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：①Request4(3,3,0)≤Need4(4,3,1);②Request4(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。①Request0(0,2,0)≤Need0(7,4,3);②Request0(0,2,0)≤Available(2,3,0);③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AllocationNeedAvailableABCABCABCP0030732210P1302020P2302600P3211011P4002432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72）程序源代码#includeiostream.h#includestring.h#includestdio.h#defineFalse0#defineTrue1intMax[100][100]={0};//各进程所需各类资源的最大需求intAvaliable[100]={0};//系统可用资源8charname[100]={0};//资源的名称intAllocation[100][100]={0};//系统已分配资源intNeed[100][100]={0};//还需要资源intRequest[100]={0};//请求资源向量inttemp[100]={0};//存放安全序列intWork[100]={0};//存放系统可提供资源intM=100;//作业的最大数为100intN=100;//资源的最大数为100voidshowdata()//显示资源矩阵{inti,j;cout系统目前可用的资源[Avaliable]:endl;for(i=0;iN;i++)coutname[i];coutendl;for(j=0;jN;j++)coutAvaliable[j];//输出分配资源coutendl;coutMaxAllocationNeedendl;cout进程名;for(j=0;j3;j++){for(i=0;iN;i++)coutname[i];cout;}coutendl;for(i=0;iM;i++){couti;for(j=0;jN;j++)coutMax[i][j];cout;for(j=0;jN;j++)coutAllocation[i][j];cout;for(j=0;jN;j++)coutNeed[i][j];cout