利用银行家算法避免死锁

一、系统安全状态

安全状态指的是系统能按某种进程推进顺序(P1,P2,…,Pn)为每个进程分配其所需的资源,直至满足每个进程对资源的最大需求,使每个进程都可顺利地完成。此时,序列(P1,P2,…,Pn)为安全序列。如果系统无法找到这样一个序列,则称系统处于不安全状态。
虽然并非所有的不安全状态都必然会转为死锁状态,但当系统进入不安全状态,就有可能进入死锁。反之,只要系统处于安全状态,就不会进入死锁状态。因此,避免死锁的实质在于,系统在进行资源分配时,应使系统不进入安全状态。

所以,只要存在一种分配序列时,系统就是安全的。
举个例子:
假设系统中有三个进程P1,P2,P3,共有12台磁带机。进程P1总共要求10台磁带机,进程P2要求4台磁带机,进程P3总共要求9台磁带机。假设在T0时刻,进程P1,P2,P3分别已经获得5、2、2台,尚有3台为分配。如下所示:
这里写图片描述
这样的系统在T0时刻是安全的,存在一个安全序列P2->P1->P3。过程:将剩余的磁带机取出2台分给P2,使之继续运行,待P2完成后便可释放4台磁带机,此时可用资源为4+(3-2)=5,然后将这5台资源分配给P1,待P1运行完成后可释放10台,P3便可以获得足够的资源,从而使得P1,P2,P3每个进程都能完成。

二、银行家算法

具有代表性的解决死锁的问题的算法是银行家算法,起名原因是以确保银行在发放现金贷款时,不会发生不能满足客户需要的情况。

为实现银行家算法,每一个进程进入系统的时候,该进程必须告诉系统,在运行的过程中可能需要每种资源类型的最大单元数目,其数目不能超过系统所拥有的资源总量。当进程请求某一资源的时候,系统必须首先确定是否有足够的资源分配给该进程。若有,就会计算将这些资源分配给该进程后,系统会不会处于不安全状态。如果不会处于不安全状态,系统才会将资源分配给它,否则就会让进程等待。

1.银行家算法中的数据结构
(1)Avaliable
可利用资源向量,是一个含有m个元素的数组,其中每一个元素代表一类可利用的资源数目,初始值是系统中所分配的该类全部可用资源的数目,其数值随该类资源的分配和回收而改变。
(2)Max
最大需求矩阵,是一个n*m的矩阵,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。
(3)Allocation
分配矩阵,是一个n*m的矩阵,定义了系统中每一类资源当前分配给每一进程的资源数。
(4)Need
需求矩阵,是一个n*m的矩阵,表示每一个进程尚需的各类资源数。

有以下关系:
Nedd[i,j]=Max[i,j]-Allocation[i,j]

2.银行家算法
设Request_i是进程Pi的请求向量,如果Request_i[j]=K,表示进程Pi需要K个Rj的类型的资源。当PI发出资源请求后,系统按下述步骤进行检查:
(1)如果Request_i[j]<=Need[i,j],便转向(2);否则,出错,因为所需的资源已经超过宣布的最大值。
(2)如果Request_i[j]<=Available[j],便转向(3);否则,表示尚无足够资源,Pi需要等待。
(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]-Request_i[j];
Allocation[i,j]=Allocation[i,j]+Request_i[j];
Need[i,j]=Need[i,j]-Request_i[j];
(4)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,以完成此次分配;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。

3.安全性算法
(1)设置两个向量,工作向量work,表示可提供给进程继续运行所需的各类资源数目,含有m个元素,在执行安全算法开始时,work:=Available;finish,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finish[i]:=false,当有资源分配给它时,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,可顺序执行,直至完成,并释放出分配给它的资源,故应执行:
work[j]=work[j]+Allocation[i,j];
finish[i]=true;
转到(2)。
(4)如果所有进程finish[i]=true都满足,则系统处于安全状态;否则,系统处于不安全状态。

例子:
如果有五个进程P1,P2,P3,P4,P5,三类资源A,B,C,各类资源的数量分贝为10、5、7,在T0时刻的资源分配如下:
这里写图片描述
T0时刻的安全性:利用安全性算法对T0时刻进行分析,在T0时刻存在一个安全序列P1,P3,P4,P2,P0,所以系统是安全的。
这里写图片描述
P1请求资源:P1发出请求向量Resquest1(1,0,2),系统按银行家算法进行检查:
Resquest1(1,0,2)<=Need(1,2,2);
Resquest1(1,0,2)<=Available(3,3,2);
这里写图片描述

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