銀行家算法學習筆記

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死鎖避免——銀行家算法的應用背景

　　1、要想說銀行家，首先得說死鎖問題，因為銀行家算法就是為了死鎖避免提出的。那么，什么是死鎖？簡單的舉個例子：倆人吃餃子，一個人手里拿着醬油，一個人手里拿着醋，拿醬油的對拿着醋的人說：“你把醋給我，我就把醬油給你”；拿醋的對拿着醬油的人說：“不，你把醬油給我，我把醋給你。”

　　於是，倆人這兩份調料是永遠吃不上了。這就是死鎖。

　　2、那么，為啥這個算法叫銀行家算法？因為這個算法同樣可以用於銀行的貸款業務。讓我們考慮下面的情況。

• 一個銀行家共有20億財產
• 第一個開發商：已貸款15億，資金緊張還需3億。
• 第二個開發商：已貸款5億，運轉良好能收回。
• 第三個開發商：欲貸款18億

　　在這種情況下，如果你是銀行家，你怎么處理這種情況？一個常規的想法就是先等着第二個開發商把錢收回來，然后手里有了5個億，再把3個億貸款給第一個開發商，等第一個開發商收回來18個億，然后再把錢貸款給第三個開發商。或者呢，先借給第一個開發商3億，等他還了錢給第三個開發商，此時第二個開發商沒啥需求。
　　這里面什么值得學習呢？最重要的就是眼光放長一點，不要只看着手里有多少錢，同時要注意到別人欠自己的錢怎么能收回來。

　　那么正經點說這個問題，第一個例子中：醋和醬油是資源，這倆吃餃子的是進程；第二個例子中：銀行家是資源，開發商是進程。在操作系統中，有內存，硬盤等等資源被眾多進程渴求着，那么這些資源怎么分配給他們才能避免“銀行家破產”的風險？

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銀行家算法

安全序列：安全序列是指對當前申請資源的進程排出一個序列，保證按照這個序列分配資源完成進程，不會發生“醬油和醋”的尷尬問題。所以我們需要對請求進程排出個分配的序列！

我們假設有進程P1,P2,.....Pn。則安全序列要求滿足：Pi(1<=i<=n)需要資源<=剩余資源 + 分配給Pj(1 <= j < i)資源。為什么等號右邊還有已經被分配出去的資源？想想銀行家那個問題，分配出去的資源就好比第二個開發商，人家能還回來錢，咱得把這個考慮在內。

我們定義下面的數據結構（想想那個銀行家的例子）

int n,m; //系統中進程總數n和資源種類總數m int Available[1..m]; //資源當前可用總量 int Allocation[1..n,1..m]; //當前給分配給每個進程的各種資源數量 int Need[1..n,1..m];//當前每個進程還需分配的各種資源數量 int Work[1..m]; //當前可分配的資源 bool Finish[1..n]; //進程是否結束

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安全判定算法

1.初始化

Work = Available（動態記錄當前剩余資源） Finish[i] = false（設定所有進程均未完成）

2.查找可執行進程Pi（未完成但目前剩余資源可滿足其需要，這樣的進程是能夠完成的）

Finish[i] = false Need[i] <= Work 如果沒有這樣的進程Pi，則跳轉到第4步

3.（若有則）Pi一定能完成，並歸還其占用的資源，即：

Finish[i] = true Work = Work +Allocation[i] GOTO 第2步，繼續查找

4.如果所有進程Pi都是能完成的，即Finish[i]=ture
則系統處於安全狀態，否則系統處於不安全狀態

偽代碼:

Boolean Found; Work = Available; Finish[1..n] = false; while(true){ //不斷的找可執行進程 Found = false; for(i=1; i<=n; i++){ if(Finish[i]==false && Need[i]<=Work){ Work = Work + Allocation[i];//把放出去的貸款也當做自己的資產 Finish[i] = true; Found = true; } } if(Found==false)break; } for(i=1;i<=n;i++) if(Finish[i]==false)return “deadlock”; //如果有進程是完不成的，那么就是有死鎖

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示例

舉個實際例子，假設下面的初始狀態：

process	Allocation	Need	Available
	A B C	A B C	A B C
P0	0 1 0	7 4 3	3 3 2
P1	2 0 0	1 2 2
P2	3 0 2	6 0 0
P3	2 1 1	0 1 1
P4	0 0 2	4 3 1

首先，進入算法第一步，初始化。
那么Work = Available = [3 3 2]

1、首先看P0：P0的Need為[7 4 3]，Available不能滿足，於是跳過去

2、P1的Need為[1 2 2]可以滿足，我們令Work = Allocation[P1] + Work，此時Work = [5 3 2]

3、再看P2，P2的Need為[6 0 0]，那么現有資源不滿足。跳過去。

4、看P3，那么看P3，Work可以滿足。那么令Work = Allocation[P3] + Work，此時Work = [7 4 3]

5、再看P4，Work可以滿足。令Work = Allocation[P4] + Work ，此時Work = [7 4 5]。

到此第一輪循環完畢，由於找到了可用進程，那么進入第二輪循環。

6、看P0，Work此時可以滿足。令Work = Allocation[P0] + Work ，此時Work = [7 5 5]

7、再看P2，此時Work可以滿足P2。令Work = Allocation[P2] + Work ， 此時Work = [10 5 7]

至此，算法運行完畢。找到安全序列<p1,p3,p4,p0,p2>，證明此時沒有死鎖危險。(安全序列未必唯一)。（僅是安全的序列）

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資源請求算法

之前說完了怎么判定當前情況是否安全，下面就是說當有進程新申請資源的時候如何處理。
我們將第i個進程請求的資源數記為Requests[i]（此進程是原來就知道的進程，是在安全序列里面的。若新加入一個進程，需要重新計算安全序列）

算法流程：

1.如果Requests[i]<=Need[i]，則轉到第二步。否則，返回異常。這一步是控制進程申請的資源不得大於需要的資源

2.如果Requests[i]<=Available，則轉到第三步，否則Pi等待資源。

3.如果滿足前兩步，那么做如下操作：

Available = Available -Requests[i]
Allocation = Allocation[i]+Requests[i]
Need[i]=Need[i]-Requests[i]
調用安全判定算法，檢查是否安全。
if(安全)
{
    申請成功，資源分配
}
else
{
    申請失敗，資源撤回。第三步前幾個操作進行逆操作
}

缺點：很少有進程在運行前就知道其申請資源大小，而且進程數目不一定固定。所以這個比較適合那種變化不大的應用場景，局限性比較大。