【操作系統】銀行家算法


  對於計算機中的死鎖,我們有四種處理的方法,分別為預防死鎖、避免死鎖、檢測死鎖和解除死鎖,而今天要說的Dijkstra的銀行家算法就是最具有代表性的避免死鎖的算法。

  銀行家算法的名字來源於該算法原本是為銀行系統設計的,以確保銀行在發放現金貸款時,不會發生不能滿足所有客戶需要的情況,在OS中可以用它來避免死鎖。

  為實現銀行家算法,每一個新進程在進入系統時,必須申明在運行過程中可能需要每種資源類型的最大單元數目,其數目不應超過系統所擁有的資源總量。當進程請求一組資源時,系統必須首先確定是否有足夠的資源分配給該進程。若有,再進一步計算在將這些資源分配給進程后,是否會使系統處於不安全狀態。如果不會,才將資源分配給它,否則讓進程等待。

  首先為實現銀行家算法,在系統中必須設置這樣四個數據結構:

  (1)可利用資源向量Avaliable。這是一個含有m個元素的數組,其中每一個元素代表一類可利用的資源數目,其初始值是系統所配置的該類全部可用資源的數目,其中的每一個元素代表一類可利用的資源數目,其初始值是系統中所配置的該類全部可用資源的數目,其數值隨該類資源的分配和回收而動態的改變。如果Available[j]=K,則表示系統中現有Rj類資源的最大數目為K

  (2)最大需求矩陣Max。是一個n×m的矩陣,定義了系統中n個進程中的每一個進程對m類資源的最大需求。如果Max[i, j]=K,則表示進程i需要Rj類資源的最大數目為K。

  (3)分配矩陣Allocation。是一個n×m的矩陣,定義了系統中每一類資源當前已分配給每一進程的資源數。如果Allocation[i, j]=K,則表示進程i當前已分得Rj類資源的數目為K。

  (4)需求矩陣Need。是一個n×m的矩陣,用以表示每一個進程尚需的各類資源數。如果Need[i, j]=K,則表示進程i還需要Rj類資源K個方能完成其任務。

  它們之間的關系為:  Need[i, j]=Max[i, j]-Allocation[i, j]

 

  先來看看安全性算法,描述如下:

  (1)設置兩個向量:

    ① 工作向量Work,表示系統可提供給進程繼續運行所需的各類資源數目,含有m個元素,在執行安全算法開始時,Work=Available

    ② Finish,表示系統是否有足夠的資源分配給進程,使之運行完成。先令Finish[i]=false;當有足夠資源分配給進程時,令Finish[i]=true。

  (2)從進程集合中找到一個能滿足下述條件的進程:

    ① Finish[i]=false;

    ② Need[i, j]≤Work[j];

    若找到,執行步驟(3),否則,執行步驟(4)。

  (3)當進程Pi獲得資源后,可順利執行,直至完成,並釋放出分配給它的資源,故執行:

    Work[j]=Work[j]+Allocation[i, j];

    Finish[i]=true;

    返回步驟(2)。

  (4)如果所有進程的Finish[i]=true都滿足,則表示系統處於安全狀態,否則,系統處於不安全狀態。

 

  下面對安全性算法舉個實例:

  假定系統中有5個進程{P0,P1,P2,P3}和5類資源,各種資源的數量分別為[5,6,8,6,4],在某個時刻資源分配情況如下:

進程號 Allocation Need        
P0 0 2 1 1 1 1 0 2 1 1
P1 2 0 1 1 1 0 3 2 1 0
P2 0 1 0 1 1 0 3 3 2 2
P3 0 3 1 2 0 1 0 1 2 1

 

 

 

 

 

  

  我們首先先將表格補充完整,已知各種資源的數量,那只需用[5,6,8,6,4]減去所有對應進程號的Allocation的和[2,6,3,5,3]就可以得到Available的值為[3,0,5,1,1]。

  題目中至少會有Max、Need、Allocation中的兩個數據結構,根據公式Need[i, j]=Max[i, j]-Allocation[i, j]即可推出其余的數據結構。

  比如這道題完整的表格如下:

進程號 Max Allocation Need Available
P0 1 2 3 2 2 0 2 1 1 1 1 0 2 1 1 3 0 5 1 1
P1 2 3 3 2 1 2 0 1 1 1 0 3 2 1 0          
P2 0 4 3 3 3 0 1 0 1 1 0 3 3 2 2          
P3 1 3 2 4 1 0 3 1 2 0 1 0 1 2 1          

 

 

 

 

  

  分析過程(最終結果只需一張表格即可):進行安全性檢測,首先根據上述安全性算法得出Work,從P0開始逐行檢測,P0時Work=Available,判斷發現Need≤Work,則P0滿足條件,Finish=true,運算Work+Allocation,並將這個值作為新的Work值進行檢測,P1是不滿足Need≤Work,則跳過判斷P2,同樣不滿足Need≤Work,跳過判斷P3,發現滿足Need≤Work,則P3滿足條件,Finish=true,運算Work+Allocation,並將這個值作為新的Work值繼續進行檢測,回到P1,發現P1滿足條件,Finish=true,繼續進行上述操作,發現P2也滿足條件,Finish=true,所有Finish值都為true,故存在這么一條安全序列{P0,P3,P1,P2},故系統是安全的,表格如下:

進程號 Work               Need                Allocation            Work+Allocation Finish
P0 3 0 5 1 1 1 0 2 1 1 0 2 1 1 1 3 2 6 2 2 true
P3 3 2 6 2 2 1 0 1 2 1 0 3 1 2 0 3 5 7 4 2 true
P1 3 5 7 4 2 0 3 2 1 0 2 0 1 1 1 5 5 8 5 3 true
P2 5 5 8 5 3 0 3 3 2 2 0 1 0 1 1 5 6 8 6 4 true

 

 

 

 

  

  反之,如果無法獲得一條安全的序列,則系統是不安全的。

 

  以上就是安全性算法,現在再來看銀行家算法的過程。

  設Requesti是進程Pi的請求向量,如果Requesti[j]=K,表示進程Pi需要K個Rj類型的資源。當Pi發出資源請求后,系統按下述步驟進行檢查:

  (1)如果Requesti[j]≤Need[i, j],轉向步驟(2);否則所需資源數已超過它所宣布的最大值。

  (2)如果Requesti[j]≤Available[i, j],轉向步驟(3);否則無足夠資源,Pi需等待。

  (3)系統試探着把資源分配給進程Pi,並修改下面數據結構中的數值:

    Available[j]=Available[j]-Requesti[j];

    Allocation[i, j]=Allocation[i, j]+Requesti[j];

    Need[i, j]=Need[i, j]-Requesti[j];

  (4)系統執行安全性算法,檢查此次資源分配后系統是否處於安全狀態。若安全,才正式將資源分配給進程Pi,以完成本次分配;否則,將本次的試探分配作廢,恢復原來的資源分配狀態,讓進程Pi等待。

  

  還是上述表格,若P0請求資源[1,0,0,0,1],用銀行家算法進行檢查(因為是P0請求資源所以從P0開始檢測):

  ① Request0(1,0,0,0,1)≤Need0(1,0,2,1,1);

  ② Request0(1,0,0,0,1)≤Available0(3,0,5,1,1);

  ③ 系統先假定可為P0分配資源,並修改Available,Allocation0,Need0向量,根據公式可得Available=[2,0,5,1,0],Need0=[0,0,2,1,0],Allocation0=[1,2,1,1,2],修改P0的這三個值;

  ④ 利用安全性算法檢查此時系統是否安全,如下:

進程號 Work                Need                 Allocation          Work+Allocation  Finish
P0  2 0 5 1 0 0 0 2 1 0 1 2 1 1 2 3 2 6 2 2 true 
P3 3 2 6 2 2 1 0 1 2 1 0 3 1 2 0 3 5 7 4 2 true
P1  3 5 7 4 2 0 3 2 1 0 2 0 1 1 1 5 5 8 5 3 true
P2  5 5 8 5 3 0 3 3 2 2 0 1 0 1 1 5 6 8 6 4 true

 

 

 

 

  

  可以找到一個安全序列{P0,P3,P1,P2}。因此,系統是安全的,可以立即將P0所申請的資源分配給它。

  反之,如果無法獲得一條安全的序列,則系統是不安全的,不能將資源分配給它。

 


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