操作系统——银行家算法（含源码实现C++）

1绪论

1.1综述

在多道程序系统中，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过程中因争夺资源而造成的一种僵局，当进程处于这种状态时，若无外力作用，他们都无法在向前推进。要预防死锁，有摒弃“请求和保持”条件，摒弃“不剥夺”条件，摒弃“循环等待”条件等方法。但是，在预防死锁的几种方法之中，都施加了较强的限制条件；而在避免死锁的方法中，所施加的限制条件较弱，有可能获得令人满意的系统性能。在该方法中把系统状态分为安全状态和不安全状态，便可避免死锁的发生。

而最具代表性的避免死锁的算法，便是Dijkstra的银行家算法。利用银行家算法，我们可以来检测CPU为进程分配资源的情况，决定CPU是否响应某进程的请求并为其分配资源，从而很好避免了死锁的产生。

1.2产生死锁的必要条件

（1）互斥条件。进程对所分配到的资源进行排他性的使用，即在一段时间内，某资源只能被一个进程占用。如果此时还有其他进程请求该资源，则请求只能等待，直至占有该资源的进程用完释放。

（2）请求和保持条件。进程已经占有了至少一个资源，但是又提出了新的资源请求，而该被请求的资源已被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，同时其对自己已占有的资源保持不放。

（3）不可占有条件。进程已获得的资源在未使用完之前不能被抢占，只能在进程使用完时自己释放。

（4）循环等待条件。该条件指在发生死锁时，必然存在一个“进程-资源”循环链，即进程集合中p0正在等待已被p1占用的资源，p1正在等待已经被p2占用的资源，......，pn正在等待p0占用的资源。

1.3死锁的处理方法

（1）预防死锁。这是一中较为简单和直观的事先预防方法。该方法是通过设置某些限制条件，去破坏产生死锁的必要条件中的一个或多个来预防死锁的。预防死锁是一种较易实现的方法，已被广泛使用。

（2）避免死锁。该方法同样属于事先预防方法，但是它并不需要事先采取各种限制措施来破坏产生死锁的条件，而是在资源的动态分配过程中，用某种方法防止系统进入不安全状态，从而避免发生死锁。

（3）检测死锁。这种方法无须事先采取任何限制措施，允许进程在运行过程中发生死锁。但可以通过检测机构及时地检测出死锁的发生，然后采取适当的措施把进程从死锁中解脱出来。

（4）解除死锁。该方法是指，当检测到系统已经发生死锁时就采取相应的措施，将进程从死锁状态中解脱出来。通常采用的措施是撤销一些进程，回收他们的资源，将回收的资源分配给已处于阻塞状态的进程，使用这些进程能够继续运行。

上述四种方法，从（1）到（4）对死锁的防范措施逐渐降低，但相应的资源利用率逐渐提高，且进程因资源因素而阻塞的频率逐渐下降。（即进程并发程度逐渐提高）

1.4本文主要研究内容

本文研究死锁避免，即死锁处理方法的第三种，主要使用银行家算法进行死锁避免。

银行家算法是一种具有代表性的死锁避免算法，是由Dijkstra提出的。它以银行借贷系统的分配策略为基础，判断并保证系统的安全运行。为了了解系统的资源分配情况，假定系统的任何一种资源在任意时刻只能被一个进程使用，任何进程已经占用的资源只能由进程自己释放，而不能由其他进程抢占。当进程申请的资源数大于进程所需宣布的最大资源数时，系统会认为出错。

当进程申请的资源大于目前系统拥有的资源时，该进程必须等待。只有进程申请的资源合法，并且系统当前拥有的资源足够分配时，系统会将这些资源试分配给这些进程，然后进行安全性检测，若安全，则实际分配给进程，否则本次试分配作废，回复原来的资源分配情况，让此进程等待。

2银行家算法

2.1系统安全状态

在避免死锁方法中，把系统的状态分为安全状态和不安全状态两种。当系统处于安全状态时可避免死锁，而系统处于不安全状态时，则可能会进入死锁状态。

2.1.1安全状态

在避免死锁方法中，允许进程动态的申请资源，但系统在进行资源分配之前，应该计算此次资源分配的安全性。若此次资源分配不会导致系统进入不安全状态，则可以将资源分配给进程。否组，令进程等待。所谓的安全状态，是系统可以按照某种进程推进顺序（P0,P1,P2,…,Pn），为每个进程Pi分配其所需的资源，直至满足进程对资源的最大需求，进而使每个进程都可以顺利完成的一种系统状态。此时顺序（P0,P1,P2,…,Pn）称为安全序列。如果系统找不到这样一个序列，则称为不安全序列。虽然不是所有的不安全状态都会引起死锁，但是当系统进入不安全状态后就有可能进入死锁。而只要系统处于安全状态，就不可能会进入死锁。因此，避免，避免死锁的实质在于，让系统在分配资源时不进入不安全状态。

2.1.2安全状态举例

假设系统有3个进程P1、P2、P3，共有12台打印机。进程P1总共需要10台，进程P2，P3分别需要4台和9台。假设在t0时刻，进程P1，P2，P3分别已经获得5，2，2台打印机，还有3台打印机为分配。如表1所示

表1  t0时刻资源分配表

进程	最大需求	已分配	可用资源
P1	10	5	3
P2	4	2
P3	9	2

分析：首先将可用资源分配给P2，因为P2已分配资源加系统可用资源之和大于等于P2最大需求资源，等P2进程完毕释放资源即可用资源变成5，同理在分配给P1，P1结束释放资源即可用资源变为10，最后系统将资源分配给P3，P3结束，系统可用资源变成12，系统中所有的进程执行完毕，存在一个