计算机操作系统——银行家算法详解（C语言版）

一、实验目的

二、实验内容

三、实验要点说明

数据结构

银行家算法bank()函数

安全性算法safe()函数

银行家算法实例

程序结构

四、实验代码

五、结果展示

一、实验目的

通过编写一个模拟动态资源分配的银行家算法程序，进一步深入理解死锁、产生死锁的必要条件、安全状态等重要概念，并掌握避免死锁的具体实施方法。

二、实验内容

（1）模拟一个银行家算法：设置数据结构设计安全性算法
（2）初始化时让系统拥有一定的资源
（3）用键盘输入的方式申请资源
（4）如果预分配后，系统处于安全状态，则修改系统的资源分配情况
（5）如果预分配后，系统处于不安全状态，则提示不能满足请求

三、实验要点说明

数据结构

可利用资源向量 int Available[m] m为资源种类
最大需求矩阵 int Max[n][m] n为进程的数量
分配矩阵 int Allocation[n][m]
还需资源矩阵 int need[i][j]=Max[i][j]- Allocation[i][j]
申请资源数量 int Request [m]
工作向量 int Work[m] int Finish[n]

银行家算法bank()函数

Requesti：进程Pi的请求向量。 0<=j<=m-1

(1) 若 Requesti[j] ≤ Need[i,j]，转向(2)，否则出错。
(2) 若 Requesti[j] ≤ Available[j]，转向(3)，否则等待。
(3) 系统试探着把资源分配给进程Pi，修改下面内容：
Available[j] = Available[j] – Requesti[j];
Allocation[i,j] = Allocation[i,j] + Requesti[j];
Need[i,j] = Need[i,j] –Requesti[j];
(4) 试分配后，执行安全性算法，检查此次分配后系统是否处于安全状态。若安全，才正式分配；否则，此次试探性分配作废，进程Pi等待。

安全性算法safe()函数

(1) 初始化：设置两个向量Work(1×m)和Finish(1×n)
Work – 系统可提供给进程继续运行所需各类资源数，初态赋值Available
Finish – 系统是否有足够资源分配给进程，初值false.
(2) 从进程集合中满足下面条件进程：
Finish[i] = false; Need[i,j] ≤ Work[j];
若找到，执行(3)，否则，执行(4)。
(3) 进程Pi获得资源，可顺利执行，完成释放所分配的资源。
Work[j] = Work[j]+Allocation[i,j]; Finish[i] = true; go to (2).
(4) 若所有进程Finish[i] = true，表示系统处于安全状态，否则处于不安全状态。

先对用户提出的请求进行合法性检查，即检查请求的是否不大于需要的，是否不大于可利用的。若请求合法，则进行试分配。最后对试分配后的状态调用安全性检查算法进行安全性检查。若安全，则分配，否则，不分配，恢复原来状态，拒绝申请。

银行家算法实例

假定系统中有五个进程{P0、P1、P2、P3、P4}和三种类型资源{A、B、C}，每一种资源的数量分别为10、5、7。各进程的最大需求、T0时刻资源分配情况如下所示。

试问：

①T0时刻是否安全？
② T0之后的T1时刻P1请求资源Request1(1,0,2)是否允许？
③ T1之后的T2时刻P4请求资源Request4(3,3,0)是否允许？
④ T2之后的T3时刻P0请求资源Request0(0,2,0)是否允许？

解：

① T0时刻是否安全？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的数目

(1) T0时刻安全性分析

存在安全序列{P1, P3, P4, P0, P2}，系统安全。

(2) T0之后的T1时刻P1请求资源Request1(1,0,2)可否允许？

①Request1(1,0,2) ≤ Need1(1,2,2)，P1请求在最大需求范围内
②Request1(1,0,2) ≤ Available1(3,3,2)，可用资源可满足P1请求需要
③假定可为P1分配，修改Available,Allocation1,Need1向量
Available(2,3,0) = Available(3,3,2)-Request1(1,0,2);
Need1(0,2,0) = Need1(1,2,2)-Request1(1,0,2);
Allocation1(3,0,2) =Allocation1(2,0,0)+Request1(1,0,2);
④利用安全性算法检查试探将资源分配后状态的安全性

存在安全序列{P1, P3, P4, P0, P2}，所以试探将资源分配给进程P1后的状态是安全的，可将资源分配给进程P1。

③ T1之后的T2时刻P4请求资源Request4(3,3,0)是否允许？

Request4(3,3,0)≤Need4(4,3,1)，P4请求在最大需求范围内。
Request4(3,3,0)≤Available(2,3,0)不成立，即可用资源暂不能满足P4请求资源需要，P4阻塞等待。

P4请求资源Request4(3,3,0)不允许。

④ T2之后的T3时刻P0请求资源Request0(0,2,0)是否允许？

Request0(0，2，0)≤Need0(7，4，3)；
Request0(0，2，0)≤Available(2，3，0)；

系统暂时先假定可为P0分配资源，并修改有关数据，如下图所示：

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。

程序结构

程序共有以下五个部分：

(1).初始化init()：输入进程数量、资源种类、资源可利用量、进程资源已分配量、进程最大需求量
(2).当前安全性检查safe()：用于判断当前状态安全
(3).银行家算法bank()：进行银行家算法模拟实现的模块
(4).显示当前状态show()：显示当前资源分配详细情况
(5).主程序main()：逐个调用初始化、显示状态、安全性检查、银行家算法函数，使程序有序的进行

四、实验代码

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>#define False 0
#define True 1/********主要数据结构********/
char NAME[100]={0};//资源的名称
int Max[100][100]={0};//最大需求矩阵
int Allocation[100][100]={0};//系统已分配矩阵
int Need[100][100]={0};//还需要资源矩阵
int Available[100]={0};//可用资源矩阵
int Request[100]={0};//请求资源向量
int Work[100]={0};//存放系统可提供资源量
int Finish[100]={0}; //标记系统是否有足够的资源分配给各个进程
int Security[100]={0};//存放安全序列int M=100;//进程的最大数
int N=100;//资源的最大数/********初始化数据：输入进程数量、资源种类、各种资源可利用数量、
各进程对资源最大需求量、各进程的资源已分配数量等。********/
void init()
{/* m为进程个数，即矩阵行数，n为资源种类，即矩阵列数。*/int i,j,m,n;int number,flag;char name;//输入资源名称int temp[100]={0};//统计已经分配的资源//输入系统资源数目及各资源初试个数printf("系统可用资源种类为:");scanf("%d",&n);N=n;for(i=0;i<n;i++){printf("资源%d的名称:",i);fflush(stdin);  //清空输入流缓冲区的字符，注意必须引入#include<stdlib.h>头文件scanf("%c",&name);NAME[i]=name;printf("资源%c的初始个数为:",name);scanf("%d",&number);Available[i]=number;}//输入进程数及各进程的最大需求矩阵printf("\n请输入进程的数量:");scanf("%d",&m);M=m;printf("请输入各进程的最大需求矩阵的值[Max]:\n");do{flag = False;for(i=0;i<M;i++)for(j=0;j<N;j++){scanf("%d",&Max[i][j]);if(Max[i][j]>Available[j])flag = True;}if(flag)printf("资源最大需求量大于系统中资源最大量，请重新输入!\n");} while(flag);//输入各进程已经分配的资源量，并求得还需要的资源量do{flag=False;printf("请输入各进程已经分配的资源量[Allocation]:\n");for(i=0;i<M;i++){for(j=0;j<N;j++){scanf("%d",&Allocation[i][j]);if(Allocation[i][j]>Max[i][j])flag=True;Need[i][j]=Max[i][j]-Allocation[i][j];temp[j]+=Allocation[i][j];//统计已经分配给进程的资源数目}}if(flag)printf("分配的资源大于最大量，请重新输入!\n");}while(flag);//求得系统中可利用的资源量for(j=0;j<N;j++)Available[j]=Available[j]-temp[j];
}/********显示资源分配矩阵********/
void showdata()
{int i,j;printf("*************************************************************\n");printf("系统目前可用的资源[Available]:\n");for(i=0;i<N;i++)printf("%c  ",NAME[i]);printf("\n");for(j=0;j<N;j++)printf("%d  ",Available[j]);printf("\n");printf("系统当前的资源分配情况如下：\n");printf("            Max       Allocation    Need\n");printf("进程名      ");//输出与进程名同行的资源名，Max、Allocation、Need下分别对应for(j=0;j<3;j++){for(i=0;i<N;i++)printf("%c  ",NAME[i]);printf("     ");}printf("\n");//输出每个进程的Max、Allocation、Needfor(i=0;i<M;i++){printf(" P%d        ",i);for(j=0;j<N;j++)printf("%d  ",Max[i][j]);printf("     ");for(j=0;j<N;j++)printf("%d  ",Allocation[i][j]);printf("     ");for(j=0;j<N;j++)printf("%d  ",Need[i][j]);printf("\n");}
}/********尝试分配资源********/
int test(int i) //试探性的将资源分配给第i个进程
{for(int j=0;j<N;j++){Available[j]=Available[j]-Request[j];Allocation[i][j]=Allocation[i][j]+Request[j];Need[i][j]=Need[i][j]-Request[j];}return True;
}/********试探性分配资源作废********/
int Retest(int i) //与test操作相反
{for(int j=0; j<N; j++){Available[j] = Available[j] + Request[j];Allocation[i][j] = Allocation[i][j] - Request[j];Need[i][j] = Need[i][j] + Request[j];}return True;
}/********安全性算法********/
int safe()
{int i,j,k=0,m,apply;//初始化workfor(j=0;j<N;j++)Work[j] = Available[j];//初始化Finishfor(i=0;i<M;i++)Finish[i] = False;//求安全序列for(i=0;i<M;i++){apply=0;for(j=0;j<N;j++){if(Finish[i]==False && Need[i][j]<=Work[j]){apply++;//直到每类资源尚需数都小于系统可利用资源数才可分配if(apply==N){for(m=0;m<N;m++)Work[m]=Work[m]+Allocation[i][m];//更改当前可分配资源Finish[i]=True;Security[k++]=i;i=-1; //保证每次查询均从第一个进程开始}}}}for(i=0;i<M;i++){if(Finish[i]==False){printf("系统不安全\n");//不成功系统不安全return False;}}printf("系统是安全的!\n");//如果安全，输出成功printf("存在一个安全序列:");for(i=0;i<M;i++){//输出运行进程数组printf("P%d",Security[i]);if(i<M-1)printf("->");}printf("\n");return True;
}/********利用银行家算法对申请资源进行试分********/
void bank()
{int flag = True;//标志变量，判断能否进入银行家算法的下一步int i,j;printf("请输入请求分配资源的进程号(0-%d):",M-1);scanf("%d",&i);//输入须申请资源的进程号printf("请输入进程P%d要申请的资源个数:\n",i);for(j=0;j<N;j++){printf("%c:",NAME[j]);scanf("%d",&Request[j]);//输入需要申请的资源}//判断银行家算法的前两条件是否成立for (j=0;j<N;j++){if(Request[j]>Need[i][j])//判断申请是否大于需求，若大于则出错{printf("进程P%d申请的资源大于它需要的资源",i);printf("分配不合理，不予分配！\n");flag = False;break;}else{if(Request[j]>Available[j])//判断申请是否大于当前可分配资源，若大于则出错{printf("进程%d申请的资源大于系统现在可利用的资源",i);printf("\n");printf("系统尚无足够资源，不予分配!\n");flag = False;break;}}}//前两个条件成立，试分配资源，寻找安全序列if(flag) {test(i); //根据进程需求量,试分配资源showdata(); //根据进程需求量，显示试分配后的资源量if(!safe()) //寻找安全序列{Retest(i);showdata();}}
}int main()//主函数
{char choice;init();//初始化数据showdata();//显示各种资源//用银行家算法判定系统当前时刻是否安全，不安全就不再继续分配资源if(!safe()) exit(0);do{printf("*************************************************************\n");printf("\n");printf("\n");printf("\t-------------------银行家算法演示------------------\n");printf("                     R(r):请求分配   \n");printf("                     E(e):退出       \n");printf("\t---------------------------------------------------\n");printf("请选择：");fflush(stdin);  //清空输入流缓冲区的字符，注意必须引入#include<stdlib.h>头文件scanf("%c",&choice);switch(choice){case 'r':case 'R':bank();break;case 'e':case 'E':exit(0);default: printf("请正确选择!\n");break;}} while(choice);
}

五、结果展示