操作系统：银行家算法的实现（C++）

文章目录

银行家算法
实验原理
- 银行家算法中的数据结构
- 银行家算法
- 安全性算法
完整代码
测试
- 测试代码
- 测试数据
- 测试结果

银行家算法

银行家算法是一种最有代表性的避免死锁的算法。在避免死锁方法中允许进程动态地申请资源，但系统在进行资源分配之前，应先计算此次分配资源的安全性，若分配不会导致系统进入不安全状态，则分配，否则等待。（破坏了环路等待条件）

实验原理

银行家算法中的数据结构

1）可利用资源向量Available
是个含有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。如果Available［j］=K，则表示系统中现有Rj类资源K个。
2）最大需求矩阵Max
这是一个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，则表示进程i需要Rj类资源的最大数目为K。
3）分配矩阵Allocation
这也是一个n×m的矩阵，它定义了系统中每一类资源当前已分配给每一进程的资源数。如果Allocation［i,j］=K，则表示进程i当前已分得Rj类资源的数目为K。
4）需求矩阵Need。
这也是一个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。
Need［i,j］=Max［i,j］-Allocation［i,j］

这里我用到的数据结构成员变量

 std::vector<std::string> _ResouceName; //资源名std::vector<int> _available;    //系统可利用的各类资源数目std::vector< std::vector<int >> _max; //每一个进程对各种资源的最大需求std::vector< std::vector<int >> _allocation;   //系统中每一类资源当前已分配给每一进程的资源数std::vector< std::vector<int >> _need;  //每一个进程尚需的各类资源数std::vector<int> _Security; //安全序列size_t _processNum;  //进程数size_t _resouceNum;    //资源数

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Pi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］，便转向步骤(2)；否则认为出错，因为它所需要的资源数已超过它所宣布最大值。

(2)如果Requesti［j］≤Available［j］，便转向步骤(3)；否则，表示尚无足够资源，Pi须等待。

(3)系统试探着把资源分配给进程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］;

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，将本次的试探分配作废，恢复原来的资源分配状态，让进程Pi等待。

 bool CheckRequest(size_t pid, std::vector<int> request){//检查资源请求是否合理for (size_t i = 0; i < _resouceNum; i++){//需求资源数已经超过最大值if (request[i] > _need[pid][i]){std::cout << "需求资源数已经超过最大值" << std::endl;return false;}//尚无足够资源if (request[i] > _available[i]){std::cout << "尚无足够资源，进程等待" << std::endl;return false;}               }//尝试分配资源给进程，看看此次分配后系统是否处于安全状态for (size_t i = 0; i < _resouceNum; i++){_available[i] -= request[i];_allocation[pid][i] += request[i];_need[pid][i] -= request[i];}//检查分配后系统是否安全if (CheckSafe() == true){//分配后系统安全，正式分配std::cout << "本次资源" << pid << "分配成功" << std::endl;OutPut();return true;}else{//分配后不安全，分配失效，资源恢复std::cout << "本次资源分配后系统不安全，分配作废" << std::endl;for (size_t i = 0; i < _resouceNum; i++){_available[i] += request[i];_allocation[pid][i] -= request[i];_need[pid][i] += request[i];}OutPut();return false;}}

安全性算法

1）设置两个向量：
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，在执行安全算法开始时，Work=Available;
工作向量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。开始时先做Finish［i］=false; 当有足够资源分配给进程时，再令Finish［i］=true。

2）从进程集合中找到一个能满足下述条件的进程：
Finish［i］=false;
Need［i,j］≤Work［j］；若找到，执行 (3)，否则，执行 (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;
go to step 2;

4）如果所有进程的Finish［i］=true都满足，则表示系统处于安全状态；否则，系统处于不安全状态

 //安全性算法bool CheckSafe(){std::vector<int> work(_available);   //表示系统可提供给进程继续运行所需的各类资源数目std::vector<bool> finish(_processNum, false);    //表示系统是否有足够的资源分配给该进程while (1){size_t i = 0;//检查是否全部都处于安全状态for (i = 0; i < _processNum; i++){if(finish[i] == false)break;}//如果全都处于安全状态，则说明此时系统也处于安全状态if (i == _processNum){std::cout << "系统此时安全" << std::endl;return true;}for (i = 0; i < _processNum; i++){//如果这个进程已经执行过，则跳过if (finish[i] == true){continue;}//标志当前进程分配资源后是否安全bool flag = true;for (size_t j = 0; j < _resouceNum; j++){//如果某一项资源不够分配，则说明当前进程不能执行，继续判断后面的if (_need[i][j] > work[j]){flag = false;break;}}if (flag == true){std::cout << "执行进程" << i << " ,系统可利用资源更新" << std::endl;//加入安全序列中_Security.push_back(i);//调用进程运行，并且释放进程所占资源for (size_t j = 0; j < _resouceNum; j++){work[j] += _allocation[i][j];finish[i] = true;std::cout << "可用资源"<< _ResouceName[j] << "更新为: " << work[j] << std::endl;}break;//调用完后进入下一轮查找安全进程}}//如果进程全部遍历完也没有任何一个执行，则说明此时无法分配，不安全if (i == _processNum){std::cout << "系统此时不安全" << std::endl;return false;} }}

完整代码

#include<iostream>
#include<string>
#include<vector>class Banker
{public:friend Banker* Input();      //输入函数  std::vector<std::string> _ResouceName; //资源名Banker(std::vector<std::string> ResouceName, std::vector<int> available, std::vector< std::vector<int >> max, std::vector< std::vector<int >> allocation): _ResouceName(ResouceName), _available(available), _max(max), _allocation(allocation), _need(_max.size(), std::vector<int>(_max[0].size(), 0)), _processNum(_max.size()), _resouceNum(_max[0].size()){//计算出需要的资源数for (size_t i = 0; i < _processNum; i++){  for (size_t j = 0; j < _resouceNum; j++){_need[i][j] = _max[i][j] - _allocation[i][j];}}}//封装给外界获取数量的接口int ResouceNum() const{return _resouceNum;}int ProcessNum() const{return _processNum;}//输出安全序列void printSecurity(){std::cout << "--------------" << std::endl;std::cout << "安全序列为: " ;for (auto it : _Security){std::cout << it << std::ends;}std::cout << "--------------" << std::endl;std::cout << std::endl;}//输出函数void OutPut(){std::cout << "*************************************" << std::endl;std::cout << "当前进程数:" << _processNum  << "  当前资源种类数量:" << _resouceNum << std::endl;for (size_t i = 0; i < _resouceNum; i++){std::cout << "资源" << _ResouceName[i] << "可用数量为: " << _available[i] << std::endl;}std::cout << "--------------" << std::endl;for (size_t i = 0; i < _processNum; i++){std::cout << "进程" << i << std::endl;for (size_t j = 0; j < _resouceNum; j++){std::cout << "资源" << _ResouceName[j] << " 最大需求数量为: " << _max[i][j] << " 当前分配数量为: " << _allocation[i][j] << " 剩余需求数量为: " << _need[i][j] << std::endl;}}std::cout << "*************************************" << std::endl;}//银行家算法核心，判断请求算法bool CheckRequest(size_t pid, std::vector<int> request){//检查资源请求是否合理for (size_t i = 0; i < _resouceNum; i++){//需求资源数已经超过最大值if (request[i] > _need[pid][i]){std::cout << "需求资源数已经超过最大值" << std::endl;return false;}//尚无足够资源if (request[i] > _available[i]){std::cout << "尚无足够资源，进程等待" << std::endl;return false;}                }//尝试分配资源给进程，看看此次分配后系统是否处于安全状态for (size_t i = 0; i < _resouceNum; i++){_available[i] -= request[i];_allocation[pid][i] += request[i];_need[pid][i] -= request[i];}//检查分配后系统是否安全if (CheckSafe() == true){//分配后系统安全，正式分配std::cout << "本次资源" << pid << "分配成功" << std::endl;OutPut();return true;}else{//分配后不安全，分配失效，资源恢复std::cout << "本次资源分配后系统不安全，分配作废" << std::endl;for (size_t i = 0; i < _resouceNum; i++){_available[i] += request[i];_allocation[pid][i] -= request[i];_need[pid][i] += request[i];}OutPut();return false;}}//安全性算法bool CheckSafe(){std::vector<int> work(_available);   //表示系统可提供给进程继续运行所需的各类资源数目std::vector<bool> finish(_processNum, false);    //表示系统是否有足够的资源分配给该进程while (1){size_t i = 0;//检查是否全部都处于安全状态for (i = 0; i < _processNum; i++){if(finish[i] == false)break;}//如果全都处于安全状态，则说明此时系统也处于安全状态if (i == _processNum){std::cout << "系统此时安全" << std::endl;return true;}for (i = 0; i < _processNum; i++){//如果这个进程已经执行过，则跳过if (finish[i] == true){continue;}//标志当前进程分配资源后是否安全bool flag = true;for (size_t j = 0; j < _resouceNum; j++){//如果某一项资源不够分配，则说明当前进程不能执行，继续判断后面的if (_need[i][j] > work[j]){flag = false;break;}}if (flag == true){std::cout << "执行进程" << i << " ,系统可利用资源更新" << std::endl;//加入安全序列中_Security.push_back(i);//调用进程运行，并且释放进程所占资源for (size_t j = 0; j < _resouceNum; j++){work[j] += _allocation[i][j];finish[i] = true;std::cout << "可用资源"<< _ResouceName[j] << "更新为: " << work[j] << std::endl;}break;//调用完后进入下一轮查找安全进程}}//如果进程全部遍历完也没有任何一个执行，则说明此时无法分配，不安全if (i == _processNum){std::cout << "系统此时不安全" << std::endl;return false;}  }}private:std::vector<int> _available;    //系统可利用的各类资源数目std::vector< std::vector<int >> _max; //每一个进程对各种资源的最大需求std::vector< std::vector<int >> _allocation;   //系统中每一类资源当前已分配给每一进程的资源数std::vector< std::vector<int >> _need;  //每一个进程尚需的各类资源数std::vector<int> _Security; //安全序列size_t _processNum;  //进程数size_t _resouceNum;    //资源数
};//输入函数
Banker* Input()
{size_t processNum, resouceNum;std::cout << "请输入进程数量:" << std::endl;std::cin >> processNum;std::cout << "请输入资源种类数量:" << std::endl;std::cin >> resouceNum;std::vector<std::string> ResouceName(resouceNum);std::vector<int> available(resouceNum);std::vector< std::vector<int >> max(processNum, std::vector<int>(resouceNum, 0));std::vector< std::vector<int >> allocation(processNum, std::vector<int>(resouceNum, 0));std::cout << "请输入资源名:" << std::endl;for (size_t i = 0; i < resouceNum; i++){std::cin >> ResouceName[i];}std::cout << "请输入系统中该资源空闲数量:" << std::endl;for (size_t i = 0; i < resouceNum; i++){std::cin >> available[i];}for (size_t i = 0; i < processNum; i++){std::cout << "请输入进程" << i << "中资源的最大需求量:" << std::endl;for (size_t j = 0; j < resouceNum; j++){          std::cin >> max[i][j];}}for (size_t i = 0; i < processNum; i++){std::cout << "请输入进程" << i << "中资源的已分配数量:" << std::endl;for (size_t j = 0; j < resouceNum; j++){           std::cin >> allocation[i][j];}}std::cout << "资源输入完毕" << std::endl;std::cout << "--------------" << std::endl;Banker* banker = new Banker(ResouceName, available, max, allocation);return banker;
}

测试

测试代码

#include"Banker.hpp"
using namespace std;void test()
{int flag = 0;Banker* backup = Input();bool result;while (1){Banker banker = *backup;cout << "--------------------" << endl;cout << "1.判断当前系统状态" << endl;cout << "2.申请资源" << endl;cout << "0.退出" << endl;cout << "--------------------" << endl;cin >> flag;switch (flag){case 1:{result = banker.CheckSafe();break;}case 2:{size_t pid;vector<int> request(banker.ResouceNum(), 0);cout << "请输入发起请求的进程号:" << endl;cin >> pid;cout << "请输入请求的资源的数量:" << endl;for (size_t i = 0; i < request.size(); i++){cin >> request[i];}result = banker.CheckRequest(pid, request);break;}case 0:exit(0);default:cout << "请输入正确选项" << endl;continue;}if (result == true){cout << "资源分配成功, 系统此时安全" << endl;banker.printSecurity();}else{cout << "资源分配失败，此时不安全" << endl;}}
}int main()
{test();
}

测试数据

这里的测试数据就拿教材上的一个习题

测试结果

可以看到，结果完全正确。