银行家算法(1)——概念与举例说明(多进程管理资源分配避免死锁)

银行家算法是一种用来避免操作系统死锁出现的有效算法，所以在引入银行家算法的解释之前，有必要简单介绍下死锁的概念。

死锁： 是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

死锁的发生必须具备以下四个必要条件：

1）互斥条件：指进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的进程用毕释放。

2）请求和保持条件：指进程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。

3）不剥夺条件：指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。

4）环路等待条件：指在发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链，即进程集合{P0，P1，P2，···，Pn}中的P0正在等待一个P1占用的资源；P1正在等待P2占用的资源，……，Pn正在等待已被P0占用的资源。

避免死锁算法中最有代表性的算法就是Dijkstra E.W 于1968年提出的银行家算法，银行家算法是避免死锁的一种重要方法，防止死锁的机构只能确保上述四个条件之一不出现，则系统就不会发生死锁。

在银行中，客户申请贷款的数量是有限的，每个客户在第一次申请贷款时要声明完成该项目所需的最大资金量，在满足所有贷款要求时，客户应及时归还。银行家在客户申请的贷款数量不超过自己拥有的最大值时，都应尽量满足客户的需要。在这样的描述中，银行家就好比操作系统，资金就是资源，客户就相当于要申请资源的进程。

在操作系统中研究资源分配策略时也有类似问题，系统中有限的资源要供多个进程使用，必须保证得到的资源的进程能在有限的时间内归还资源，以供其他进程使用资源。如果资源分配不得到就会发生进程循环等待资源，则进程都无法继续执行下去的死锁现象。“资源需求总量”表示进程在整个执行过程中总共要申请的资源量。显然，每个进程的资源需求总量不能超过系统拥有的资源总数， 银行算法进行资源分配可以避免死锁。

为实现银行家算法，系统必须设置若干数据结构，同时要解释银行家算法，必须先解释操作系统安全状态和不安全状态。

安全序列是指一个进程序列{P1，…，Pn}是安全的，即对于每一个进程Pi(1≤i≤n），它以后尚需要的资源量不超过系统当前剩余资源量与所有进程Pj (j < i )当前占有资源量之和。

安全状态：如果存在一个由系统中所有进程构成的安全序列P1，…，Pn，则系统处于安全状态。安全状态一定是没有死锁发生。

不安全状态：不存在一个安全序列。不安全状态不一定导致死锁。

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]

算法原理：

我们可以把操作系统看作是银行家，操作系统管理的资源相当于银行家管理的资金，进程向操作系统请求分配资源相当于用户向银行家贷款。

为保证资金的安全，银行家规定：

(1) 当一个顾客对资金的最大需求量不超过银行家现有的资金时就可接纳该顾客；

(2) 顾客可以分期贷款，但贷款的总数不能超过最大需求量；

(3) 当银行家现有的资金不能满足顾客尚需的贷款数额时，对顾客的贷款可推迟支付，但总能使顾客在有限的时间里得到贷款；

(4) 当顾客得到所需的全部资金后，一定能在有限的时间里归还所有的资金.

操作系统按照银行家制定的规则为进程分配资源，当进程首次申请资源时，要测试该进程对资源的最大需求量，如果系统现存的资源可以满足它的最大需求量则按当前的申请量分配资源，否则就推迟分配。当进程在执行中继续申请资源时，先测试该进程本次申请的资源数是否超过了该资源所剩余的总量。若超过则拒绝分配资源，若能满足则按当前的申请量分配资源，否则也要推迟分配。

如果上述长篇累牍的文字解释的没有那么清晰明了，接下来我们详细解释一个题目作为例子，来更形象的阐释银行家算法                      

                     


分析：从图中数据我们可以利用银行家算法的四个数据结构，来描述当前的系统状态


Availabel=（2,3,3）

因为系统总资源R=(17,5,20),所以可以计算出可利用资源向量Available=（2,3,3）

（1）在T0时刻，由于Availabel大于等于Need中 P5 所在行的向量，因此Availabel能满足 P5 的运行，在 P5 运行后，系统的状态变更为


Availabel=（7,4,11）

此时可以用资源向量Availabel'=（7,4,11），按照上述同样的方法，P4 也可以安全运行，以及P3，P2，P1也能按顺序运行。

因此，在T0时刻，存在安全序列：P5，P4，P3，P2，P1（并不唯一）

（2）① P2 申请资源（0,3,4）小于Need中 P2 所在行向量（1,3,4）

 ② P2 申请资源（0,3,4）大于可以利用资源向量Availabel（2,3,3），所以，该申请不给于分配。

（3）① P4 申请（2,0,1）不超过Need中 P4 所在行向量（2,2,1）

 ② P4 申请（2,0,1）不超过可利用资源向量Availabel（2,3,3）

 ③对 P4 的申请（2,0,1）进行预分配后，系统的状态为：


Availabel=（0,3,2）

 可利用资源向量Availabel=（0,3,2），大于Need中 P4 所在行的向量（0,2,0），因此可以满足 P4 的运行。P4 运行结束后，系统的状态变为：


Availabel=（4,3,7）

同理依次推导，可计算出存在安全序列P4，P5，P3，P2，P1(并不唯一）。

④所以综上所述，可以对 P4 请求资源（2,0,1）给予分配。

（4）① P1 申请（0,2,0）不超过Need中 P4 所在行向量（3,4,7）

 ② P1 申请（0,2,0）不超过可利用资源向量Availabel（2,3,3）

 ③对 P1 的申请（0,2,0）进行预分配后，系统的状态为：


Availabel=（0,1,2）

Availabel不大于等于 P1 到 P5 任一进程在Need中的需求向量，因此系统进行预分配后

处于不安全状态，所以对于 P1 申请资源（0,2,0）不给予分配。

经过这一道题目的解答，相信可以对银行家算法有了直观的认识，那么概念与原理就先讲到这里，

在我的下一篇博客银行家算法（2）——算法代码实现再来展示银行家算法的代码实现，

希望这篇文章能帮助到大家。