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  • 2022-04-12 12:18:08

    为了处理死锁的问题,即避免死锁,引入了安全序列的思想,所谓安全序列,就是指系统按照某种序列分配资源,则每个进程都能顺利完成,只要找出一个安全序列,系统就处于安全状态。

    系统处于安全状态时一定不会发生死锁;系统处于不安全状态可能会发生死锁;

    但系统发生死锁时必然处于不安全状态!

    因此在分配资源之前先判断这次分配是否会导致系统进入不安全状态,以此决定是否答应该进程的资源分配请求,这就是银行家算法的思想

    假设系统中有n个进程、m种资源

     用n*m表示进程与该进程所申请资源的矩阵,。同理用n*m的分配矩阵表示对所有进程的资源分配情况

    设资源总数数组Available【】为10,5,7,的一个一维向量数组,各进程最开始所需构成的矩阵设为MAX矩阵

    在满足进程需求之前,系统会先给各个进程分配一点资源,当然不会直接分配完

    Allocation矩阵表示系统分配的资源

    所以MAX[I][J]-ALLOCATION【I】【J】=Need[i][j];

    Need矩阵表示各个进程此时还需要的资源

    假设p1进程的MAX=7,5,3系统分配给他的Allocation=0,1,0;此时系统资源还剩下3,3,2,显然满足不了p1的需求,但此时Available可满足p2与p3的Need,所以先分配给他们

    此时AVAILABLE=(3,3,2)-Need(1,2,3)=(2,1,0)p2得到满足

    MAX(3,2,2)+Available(2,1,0)=(5,3,2)以此类推

    涉及到的数据结构:

    长度为m的一维数组Available表示系统中还有多少可用资源;

    n*m矩阵MAX表示各进程对资源的最大申请数;

    n*m矩阵Allocation表示系统已经先给各个进程分配的资源;

    MAX-Allocation=Need矩阵,表示现在各进程最多还需多少资源;

    用长度为m的一维数组Request表示此次申请的各种资源数;

    可用银行家算法预判本次分配是否令系统处于不安全状态;

    核心思想:

    如果 Request[j]<=Need[i][j](0<=j<=m)   便执行下一步;

    如果 Request[j]<=Allocation[j] 便执行下一步,否则表示 尚无申请资源,pi进程进入等待

    前两部确认无误后,执行算法:

    Available-=Available-Request;

    Allocation[i][j]=Allocation[i][j]+Request[j];

    #include<pch.h>
    #include<stdlib.h>
    #include<stdio.h>
    #define False 0
    #define True 1
    
    /*****数据结构 ****/
    char NAME[100] = { 0 };//系统资源总数数组 
    int MAX[100][100] = { 0 };//各进程最大需求量矩阵
    int Allocation[100][100] = { 0 };//系统事先分配给各进程的资源数矩阵 
    int Available[100] = { 0 };//目前可用资源矩阵 
    int Need[100][100] = { 0 };//进程还需要资源矩阵 
    int Request[100] = { 0 };//进程请求资源向量 
    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;//进程最大数(矩阵的列) 
    int N = 100;//资源最大数 (矩阵的行) 
    
    /*****初始化数据:输入进程数量、资源种类、各种资源可利用数量******/
    int i, j;
    int 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数量
    //输入系统的总资源数目以及各资源初需个数
    	 printf("系统可用资源种类为:");
    	scanf("%d", &n);//矩阵行 
    	N = n;
    	for (i = 0; i < n; i++)
    	{
    		printf("资源种类%d的名称", i);
    		fflush(stdin);//清空输入流入缓冲区的字符 
    		scanf("%c", &name);//随便起名
    		NAME[i] = name;
    		printf("资源%c的初始个数为:", name);
    		scanf("%d", &number);
    		Available[i] = number;
    	}
    	//输入进程数以及各个进程所需的最大资源矩阵
    	printf("\n请输入进程的数量");
    	scanf("%d", &m);//矩阵列 
    	M = n;
    	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("资源的最大需求量大于系统总资源量,请从新输入!\n");
    	} while (flag);
    	do
    	{
    		flag = False;
    		printf("请输入各进程已被提前分配的资源数量[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] = temp[j] + Allocation[i][j];/***统计已经分配给各个进程的资源数目*/
    
    			}
    		}
    		if (flag)
    			printf("事先分配的资源大于系统总资源,请从新输入!\n");
    
    	 while (flag);
    	/**求得系统中目前可利用的资源数量*/
    	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");
    		printf("系统当前分配的资源如下:\n");
    		printf("   MAX   Allocation   Need\n");
    		printf("进程名  ");
    		//输出与当前进程同行的资源名MAX,Allocation,Need分别对应如下
    		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,Need;*/
    			for (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 (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(void)True;
    	}
    	/********试探性分配资源作废*********/
    	int Retest(int i);//与test操作相反;
    	{
    		for (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(void)True;
    	}
    
    	/**********安全性算法***********/
    	int safe();
    	{
    		int i;
    		int j;
    		int k = 0;
    		int m;
    		int apply;
    		//初始化work:存放系统可提供资源量数组
    		for (j = 0; j < N; j++)
    			Work[j] = Available[j];
    		//初始化finish :标志数组,标志系统现在是否有足够的资源提供给进程
    		for (i = 0; i < M; i++)
    			Finish[i] = False;
    		//开始求得安全序列
    		for (i = 0; i < M; i++) {
    
    			apply = 0;
    			for (j = 0; j < N; j++)
    			{
    				if (Finish[i] == False && Need[i][j] <= Work[j])
    
    				{
    					apply++;
    					//一直到每类资源需求数都小于系统可分配资源数才开始分配,否则一直循环等待
    
    					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++] = 1;
    						i = 1; //保证每次查询都从第一个进程开始
    
    					}
    				}
    			}
    
    
    		}
    
    
    		for (i = 0; i < M; i++)
    		{
    			if (Finish[i] == False)
    			{
    				printf("系统处于不安全序列");// 剩余的可利用系统总资源数无法满足剩下任意进程的Need;进入不安全序列
    
    				return (void)False;
    			}
    			else {
    				printf("系统是安全的!\n");
    				printf("存在一个安全序列:");
    				for (i = 0; i < M; i++)
    				{
    					printf("P%d", Security[i]);  //输出运行在安全序列的数组
    					if (i < M - 1)
    
    						printf("->");
    				}
    				printf("\n");
    				return (void)True;
    			}
    		}
    		/************利用银行家算法对申请资源尝试进行分配****************/
    		void bank();// 分配资源函数
    
    		{
    			int flag = True;//标志变量,判断能否进入银行家算法的下一步
    			int i;
    			int j;
    			printf("请输入进程P%d要申请的资源个数\n", i);
    			for (i = 0; i < N; i++)
    			{
    				printf("%c", NAME[j]);
    				scanf("%d", &Request[j]);//输入要申请的资源
    
    			}
    
    			//下面判断银行家算法的两条前提是否成立
    			for (j = 0; j < N; j++)
    			{
    				if (Request[j] > Need[i][j])//判断进程的申请资源数是否大于其需求数,大于则出错,无法进行下一步
    				{
    					printf("进程P%d申请的资源数大于系统目前可利用数", i);
    					printf("分配不合理,不予分配!");
    					flag = False;
    					break;
    
    				}
    				else {
    					if (Request[j] > Available[j])//判断申请是否大于当前可分配的资源,若大于则出错 
    
    						printf("进程%d的申请资源数大于目前可用资源数", i);
    					printf("\n");
    					printf("系统尚无足够资源,不予分配!\n");
    					flag = False;
    					break;
    				}
    			}
    		}
    		//当前两个条件成立的情况下才可以尝试分配资源,然后再寻找安全序列
    		if (flag)
    		{
    			test(i);//根据进程需求数量试探性的分配资源
    			showdata(); //根据进程需求数量显示分配后的资源
    			if (safe()) //寻找安全数列
    			{
    				Retest(i);
    				showdata();
    
    			}
    
    		}
    	}
    
    	int main();
    	{//主函数
    		char choice;
    		printf("\t----------------------------------------------\n");
    		printf("\t||                    //\n");
    		printf("\t||        银行家算法的实现     //\n");
    		printf("\t||                  //\n");
    		printf("\t||                  //\n");
    		printf("\t||          在此输入个人姓名:*****//\n");
    		printf("\t||                    //\n");
    		printf("\t----------------------------------------------\n");
    		int();//初始化数据
    		showdata();//显示各种资源
    		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);//还是清空输入缓冲区的字符
    			scanf("%c", choice);
    			switch (choice)
    			{
    			case 'r':
    			case 'R':
    				void bank();
    				break;
    			case 'e':
    			case 'E':
    				exit(0);
    			default: printf("请正确做出您的选择!\n");
    				break;
    			}
    
    		} while (choice);
    	}
    }

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  • 安全序列

    千次阅读 2020-11-01 14:42:41
    在此次寻找安全序列时,找到的第一个进程为P0,若其运行完毕释放资源后,系统的Available变为多少,请写出详细的过程。 每问2分 ① 可用资源数量 available =[5,6,8,6,4]-[2,2+1+3,1+1+1,1+1+1+2,1+1+1] =[3,0,...

    某系统中有5种资源,数量为[5,6,8,6,4],某个时刻进程和资源的使用情况如下:
    进程名 Allocation Need
    P0 [0,2,1,1,1] [1,0,2,1,1]
    P1 [2,0,1,1,1] [0,3,2,1,0]
    P2 [0,1,0,1,1] [0,3,3,2,2]
    P3 [0,3,1,2,0] [1,0,1,2,1]
    此时系统的可用资源数量Available为多少,按照从P0到P3依次进行的顺序,进行安全性检测找到的第二个满足条件的进程为P3 ,检测后发现系统是不是 安全状态?为什么。若此时进程P0提出申请资源[1,0,0,0,1],假设系统满足其要求后,经检测发现系统
    是不是 安全状态,为什么;在此次寻找安全序列时,找到的第一个进程为P0,若其运行完毕释放资源后,系统的Available变为多少,请写出详细的过程。
    每问2分
    ① 可用资源数量 available =[5,6,8,6,4]-[2,2+1+3,1+1+1,1+1+1+2,1+1+1]
    =[3,0,5,1,1]
    ② 是;因为[3,0,5,1,1] >[1,0,2,1,1] ,所以第一个执行的是P0,P0执行结束释放全部资源。此时的 可用资源数量 available = [ 3,2,6,2,2] >[ 1,0,1,2,1] 继续执行, P3执行结束释放全部资源。此时的 可用资源数量 available = [3,5,7,4,2] 继续执行P1或P2, 例如P2执行结束释放全部资源。此时的 可用资源数量 available = [3,6,7,5,3] 继续执行P1, 例如P1执行结束释放全部资源。安全。
    ③ 是;执行方法和第二问一致,就直接表示结果 [3,0,5,1,1]–>[ 3,2,6,2,2] -->[3,5,7,4,2]–>[3,6,7,5,3]–>[5,6,8,6,4]
    ④ 执行完P0后,
    应可使用资源为available =[5,6,8,6,4]-[2,1+3,1+1,1+1+2,1+1]
    = [3,2,6,2,2]
    哲学家问题
    假设有五位哲学家围坐在一张圆形餐桌旁,做以下两件事情之一:吃饭,或者思考。吃东西的时候,他们就停止思考,思考的时候也停止吃东西。餐桌中间有一大碗意大利面,每两个哲学家之间有一只餐叉。因为用一只餐叉很难吃到意大利面,所以假设哲学家必须用两只餐叉吃东西。他们只能使用自己左右手边的那两只餐叉
    在这里插入图片描述哲学家(可能会死锁)
    在这里插入图片描述
    哲学家(2的倍数就拿左再右)
    在这里插入图片描述哲学家(4就等着)
    在这里插入图片描述分析:哲学家的死锁是当所有人都拿起自己右边的叉子,那他们就都拿不到自己左面的叉子,造成死锁。

    #define M 5
    sem_t sfork[M];
    void * philosopher(void *p){
    	int id = (int)p;
    	while(1){
    		printf("%d : Think....\n", id);
    		sleep(1);
    		sem_wait(&sfork[id]);
    		sem_wait(&sfork[(id+1)%5]);
    		printf("%d : Eating...\n", id);
    		sleep(1);
    		sem_post(&sfork[id]);
    		sem_post(&sfork[(id+1)%5]);
    	}	return NULL;
    }
    int main(void){	
    	int i;
    	for(i=0;i<M;i++){
    		sem_init(&sfork[i], 0, 1);
    	}
    	pthread_t tid[M];	
    	for(i=0;i<M;i++){
    		pthread_create(&tid[i],NULL,philosopher,i);
    	}	
    	for(i=0;i<M;i++){
    		sem_destroy(&sfork[i]);
    	}
    	
    	for(i=0;i<M;i++){
    		pthread_join(tid[i], NULL);
    	}
    	return 0;
    } 
    

    哲学家优化

    #define M 5
    sem_t sfork[M];
    void * philosopher(void *p){
    	int id = (int)p;
    	while(1){
    		printf("%d : Think....\n", id);
    		sleep(1);
    		if(id%2==0){
    			sem_wait(&sfork[id]);
    			sem_wait(&sfork[(id+1)%5]);
    		}else{
    			sem_post(&sfork[(id+1)%5]);
    			sem_post(&sfork[id]);			
    		}				printf("%d : Eating...\n", id);
    		sem_wait(&sfork[id]);
    		sem_wait(&sfork[(id+1)%5]);	
    		sleep(1);	
    	}
    	return NULL;
    }
    int main(void){	
    	int i;
    	for(i=0;i<M;i++){
    		sem_init(&sfork[i], 0, 1);
    	}
    	pthread_t tid[M];
    	
    	for(i=0;i<M;i++){
    		pthread_treate(&tid[i],NULL,philosopher,i);
    	}	
    	for(i=0;i<M;i++){
    		sem_destroy(&sfork[i]);
    	}
    	
    	for(i=0;i<M;i++){
    		pthread_join(tid[i], NULL);
    	}
    	return 0;
    } 
    
    展开全文
  • 如果所有过程有可能完成执行(终止),则一个状态(如上述范例)被认为是安全的。由于系统无法知道什么时候一个过程将终止,或者之后它需要多少资源,系统假定所有进程将最终试图获取其声明的最大资源并在不久之后...

    使用DFS(深度优先搜索)遍历求出所有的安全序列。

    数据结构

    先上头文件说明,实现此算法用到的数据结构和命名。

    #ifndef _DATA_STRUCTURE
    #define _DATA_STRUCTURE
    
    // 表示资源个数
    #define M (4)
    // 表示进程个数
    #define N (4)
    
    // 当前状态还剩多少可用的资源
    struct AvailableD;
    // 每个进程对每个资源的最大需求量
    struct MaxD;
    // 当前分配个每个进程的资源数目
    struct AllocationD;
    // 每个进程还需要多少资源数目(最大需求 - 当前分配)
    struct NeedD;
    // 当前状态每个进程请求的资源数量
    struct RequestD;
    // 存放安全序列的数据结构(名字叫 Queue 实际上是栈的实现【FILO先进后出】)
    struct QueueD;
    // 表明每个进程是否在安全序列中
    struct StatusD;
    
    typedef struct AvailableD *Available;
    typedef struct MaxD *Max;
    typedef struct AllocationD *Allocation;
    typedef struct NeedD *Need;
    typedef struct RequestD *Request;
    typedef struct QueueD *Queue;
    typedef struct StatusD *Status;
    
    Available create_available();
    Allocation create_allocation();
    Max create_max();
    Need create_need();
    Queue create_queue();
    int queue_full(Queue queue);
    int queue_empty(Queue queue);
    void queue_add(Queue queue, int data);
    int queue_get(Queue queue);
    void queue_display(Queue queue);
    Status create_status();
    void display_need(Need need);
    
    /* 更新 need 数组 */
    void update_need(Need need, Allocation allocation, Max max);
    
    /* 将 allocation 矩阵的 第 row 行的值加(减)到 available 里 */
    void update_available(Allocation allocation, int row, Available available, int is_add);
    
    /* 检查 available 是否满足 need 的第 row 行的需求 */
    void check_available(Allocation allocation, Need need, Available available, int row, Queue queue, Status status);
    
    #endif
    

    算法步骤

    首先检查当前剩余的资源数目是否满足某个进程的需求量,也就是说判断 Available 向量中每一个资源数目是否大于等于 Need 矩阵中某一个进程的需求量;

    如果对于进程 row ,对每个资源数目的需求量小于当前可用的系统资源;首先检查当前进程是否已经在安全序列中,若存在就判断下一个进程;

    若当前进程 row 还没有处在安全序列,就开始深度优先搜索:将当前进程 row 已经分配到的系统资源数目加到当前可用的资源数目中,即 Allocation 矩阵中第 row 行的所有数目加到 Available 向量中;然后将当前进程 row 添加到安全序列中(此安全序列是一个栈);递归调用搜索的函数,向下一个进程开始搜索;

    在搜索的过程中需要判断所有的进程是否已经添加到安全序列中,即查看安全序列(栈)的大小是否等于当前系统的进程数目;若达到了就将安全序列输出并且开始回溯;此判断应该放在深度优先搜索函数的前面,用来作为递归出口;

    然后将最近加入到安全序列中的进程从安全队列中删除,即从栈中弹出一个元素,记为 row;然后修改此进程row未加在安全序列中的状态;将此进程row收回的资源数目归还,即从 Available 向量中减去 Allocation 矩阵中第 row 行的数目;然后向下一个进程搜索。

    核心代码

    /**
     * allocation: Allocation 每个进程已经分配的资源数目的矩阵
     * need: Need 每个进程还需的资源数目的矩阵
     * available: Available 剩余资源数的矩阵
     * row: 表示从哪个进程开始向下扫描
     * queue: 已加入安全序列的进程(栈性质)
     * status: 表示每个进程是否已经存在于安全序列
     * */
    void check_available(Allocation allocation, Need need, Available available, int row, Queue queue, Status status)
    {
        int temp = row;
        int i;
        int flag = 1;
        // 递归出口
        if (queue->length == 4)
        {
            printf("Safe sequence: ");
            queue_display(queue);
            return;
        }
        do
        {
            for (i = 0; i < M; i++)
            {
                if (available->vector[i] < need->matrix[row][i])
                {
                    flag = 0;
                    break;
                }
            }
            if (flag)
            {
                if (status->vector[row] == 1)
                {
                    row = (row + 1) % N;
                    continue;
                }
                // 深搜准备
                update_available(allocation, row, available, 1);
                queue_add(queue, row);
                status->vector[row] = 1;
                check_available(allocation, need, available, (row + 1) % N, queue, status);
                // 回溯 恢复刚才的状态
                status->vector[row] = 0;
                queue_get(queue);
                update_available(allocation, row, available, 0);
                //temp = row;
                row = (row + 1) % N;
            }
            else
            {
                row = (row + 1) % N;
                flag = 1;
            }
        } while (temp != row);
    }
    

    所有代码

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include "datastructure.h"
    
    // 长度为 m 的一维数组
    // 表示还有多少可用资源
    struct AvailableD
    {
        int m;
        int *vector;
    };
    
    // 长度为 m*n 的矩阵
    // 表示各进程对资源的最大需求数
    struct MaxD
    {
        int m;
        int n;
        int **matrix;
    };
    
    // 长度为 m*n 的矩阵
    // 表示已经给各进程分配了多少资源
    struct AllocationD
    {
        int m;
        int n;
        int **matrix;
    };
    
    // 长度为 m*n 的矩阵
    // 表示各进程最多还需要多少资源
    struct NeedD
    {
        int m;
        int n;
        int **matrix;
    };
    
    // 长度为 m 的一维数组
    // 表示进程此次申请的各种资源
    struct RequestD
    {
        int m;
        int *vector;
    };
    
    // 长度为 n 的一维数组
    // 具有栈的性质的安全序列
    struct QueueD
    {
        int n;
        int *vector;
        int length;
        int front;
    };
    
    // 长度为 n 的一维数组
    // 表示某个进程是否已经在安全序列的标志
    struct StatusD
    {
        int *vector;
    };
    
    // 创建 Allocation 矩阵,数据手动输入
    Allocation create_allocation()
    {
        int i, j;
        Allocation allocation = (Allocation)malloc(sizeof(struct AllocationD));
        allocation->m = M;
        allocation->n = N;
        allocation->matrix = (int **)malloc(sizeof(int *) * N);
        for (i = 0; i < M; i++)
        {
            allocation->matrix[i] = (int *)malloc(sizeof(int) * M);
        }
        for (i = 0; i < N; i++)
        {
            for (j = 0; j < M; j++)
            {
                scanf("%d", &(allocation->matrix[i][j]));
            }
        }
        return allocation;
    }
    
    // 创建 Max 矩阵,数据手动输入
    Max create_max()
    {
        int i, j;
        Max max = (Max)malloc(sizeof(struct MaxD));
        max->m = M;
        max->n = N;
        max->matrix = (int **)malloc(sizeof(int *) * N);
        for (i = 0; i < M; i++)
        {
            max->matrix[i] = (int *)malloc(sizeof(int) * M);
        }
        for (i = 0; i < N; i++)
        {
            for (j = 0; j < M; j++)
            {
                scanf("%d", &(max->matrix[i][j]));
            }
        }
        return max;
    }
    
    // 创建 Need 矩阵,数据手动输入
    Need create_need()
    {
        int i, j;
        Need need = (Need)malloc(sizeof(struct NeedD));
        need->m = M;
        need->n = N;
        need->matrix = (int **)malloc(sizeof(int *) * N);
        for (i = 0; i < M; i++)
        {
            need->matrix[i] = (int *)malloc(sizeof(int) * M);
        }
        return need;
    }
    
    // 根据 Allocation 和 Max 矩阵计算 Need 矩阵
    void update_need(Need need, Allocation allocation, Max max)
    {
        int i, j;
        for (i = 0; i < N; i++)
        {
            for (j = 0; j < M; j++)
            {
                need->matrix[i][j] = max->matrix[i][j] - allocation->matrix[i][j];
            }
        }
    }
    
    // 创建 Available 一维数组,数据手动输入
    Available create_available()
    {
        int i;
        Available available = (Available)malloc(sizeof(struct AvailableD));
        available->m = M;
        available->vector = (int *)malloc(sizeof(int) * M);
        for (i = 0; i < M; i++)
        {
            scanf("%d", &(available->vector[i]));
        }
        return available;
    }
    
    // 将 Allocation 矩阵的第 row 行的资源数目加(减)到 Available 数组中
    // is_add: 为 1 时加;反之为减
    void update_available(Allocation allocation, int row, Available available, int is_add)
    {
        int i = 0;
        for (i = 0; i < N; i++)
        {
            if (is_add)
            {
                available->vector[i] += allocation->matrix[row][i];
            }
            else
            {
                available->vector[i] -= allocation->matrix[row][i];
            }
        }
    }
    
    // 创建一个安全“队列”(栈实现)
    Queue create_queue()
    {
        int i;
        Queue queue = (Queue)malloc(sizeof(struct QueueD));
        queue->n = N;
        queue->vector = (int *)malloc(sizeof(int) * N);
        queue->length = 0;
        queue->front = -1;
        return queue;
    }
    
    // 判断是否为满
    int queue_full(Queue queue)
    {
        return queue->length == queue->n;
    }
    
    // 判断是否为空
    int queue_empty(Queue queue)
    {
        return queue->length == 0;
    }
    
    // 向安全“队列”(栈)中添加一个数据项
    void queue_add(Queue queue, int data)
    {
        if (queue_full(queue))
        {
            printf("Queue has been fulled!\n");
            return;
        }
        queue->front++;
        queue->vector[queue->front] = data;
        queue->length++;
    }
    
    // 从安全“队列”(栈)获得(弹出)一个数据项(栈顶)
    int queue_get(Queue queue)
    {
        int result;
        if (queue_empty(queue))
        {
            printf("Queue is empty!\n");
            return -1;
        }
        result = queue->vector[queue->front];
        queue->front--;
        queue->length--;
        return result;
    }
    
    // 创建状态数组
    Status create_status()
    {
        int i;
        Status status = (Status)malloc(sizeof(struct StatusD));
        status->vector = (int *)malloc(sizeof(int) * N);
        for (i = 0; i < N; i++)
        {
            status->vector[i] = 0;
        }
        return status;
    }
    
    // 打印输出安全“队列”(栈)中的所有数据项
    void queue_display(Queue queue)
    {
        int i;
        for (i = 0; i < queue->length; i++)
        {
            printf("P%d\t", queue->vector[i]);
        }
        printf("\n");
    }
    
    // 输出 Need 矩阵
    void display_need(Need need)
    {
        int i, j;
        for (i = 0; i < N; i++)
        {
            for (j = 0; j < M; j++)
            {
                printf("%d ", need->matrix[i][j]);
            }
            printf("\n");
        }
    }
    
    /**
     * allocation: Allocation 每个进程已经分配的资源数目的矩阵
     * need: Need 每个进程还需的资源数目的矩阵
     * available: Available 剩余资源数的矩阵
     * row: 表示从哪个进程开始向下扫描
     * queue: 已加入安全序列的进程(栈性质)
     * status: 表示每个进程是否已经存在于安全序列
     * */
    void check_available(Allocation allocation, Need need, Available available, int row, Queue queue, Status status)
    {
        int temp = row;
        int i;
        int flag = 1;
        if (queue->length == 4)
        {
            printf("Safe sequence: ");
            queue_display(queue);
            return;
        }
        do
        {
            for (i = 0; i < M; i++)
            {
                if (available->vector[i] < need->matrix[row][i])
                {
                    flag = 0;
                    break;
                }
            }
            if (flag)
            {
                if (status->vector[row] == 1)
                {
                    row = (row + 1) % N;
                    continue;
                }
                // 深搜准备
                update_available(allocation, row, available, 1);
                queue_add(queue, row);
                status->vector[row] = 1;
                check_available(allocation, need, available, (row + 1) % N, queue, status);
                // 回溯 恢复刚才的状态
                status->vector[row] = 0;
                queue_get(queue);
                update_available(allocation, row, available, 0);
                //temp = row;
                row = (row + 1) % N;
            }
            else
            {
                row = (row + 1) % N;
                flag = 1;
            }
        } while (temp != row);
    }
    
    int main()
    {
        // 数据的声明、创建
        Available available;
        Allocation allocation;
        Max max;
        Need need = create_need();
        Queue queue = create_queue();
        Status status = create_status();
        // 手动输入数据
        printf("Input available: \n");
        available = create_available();
        printf("Input allocation: \n");
        allocation = create_allocation();
        printf("Input Max: \n");
        max = create_max();
        // 计算 Need 矩阵
        update_need(need, allocation, max);
        printf("Need: \n");
        display_need(need);
        // 深度优先搜索 开始遍历所有安全序列
        printf("\nAll the safa sequence:\n\n");
        check_available(allocation, need, available, 0, queue, status);
        printf("\n");
        system("pause");
        return 0;
    }
    

    运行结果

    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    展开全文
  • 银行家算法非递归得到所有安全序列,操作系统,emmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm
  • 目录基本定义死锁产生的原因系统资源的竞争进程推进顺序非法死锁产生的必要条件死锁的处理策略死锁预防破坏互斥条件破坏不可剥夺条件方案一方案二破坏请求并保持条件破坏循环等待条件避免死锁系统安全状态银行家算法...


    非科班👀 👉 👉 👉 👉 自学计算机6个月总结——不完全学习路线分享

    早期的操作系统学习笔记📗

    主要参考来源

    操作系统_清华大学(向勇、陈渝)

    Operating systems: internals and design principles

    Operating System Concepts

    还有其余的一些网络博文


    博客记录

    操作系统-Operating-System第一章:概述

    操作系统-Operating-System第二章:启动、中断、异常和系统调用

    操作系统-Operating-System第三章01:计算机体系结构及内存分层体系

    操作系统-Operating-System第三章02:地址空间和地址生成

    操作系统-Operating-System第三章03:内存管理方式(连续内存分配)

    作为非科班,前两个月学习操作系统的时候由于很多知识点不是很了解,所以学习起来有点吃力。为打好基础,本人补习了一下《计算机组成原理》的相关知识,并在博客专栏中做了记录。事实证明,先学一点计组知识有助于理解《操作系统》这门课。

    《计算机组成原理》笔记可参考:计算机组成原理,博客内容如下:

    计算机组成原理-计算机硬件的基本组成

    计算机组成原理-计算机的功能部件及层次结构

    计算机组成原理-计算机性能指标

    计算机组成原理-数制与编码(进制转换)

    计算机组成原理-定点数的表示和运算

    计算机组成原理-浮点数的表示与运算

    计算机组成原理-算术逻辑单元ALU

    计算机组成原理-存储系统

    计算机组成原理-高速缓冲存储器

    计算机组成原理-指令系统 (指令、操作码、地址码、指令寻址、数据寻址)

    计算机组成原理-总线(系统总线、总线仲裁、总线操作和定时)

    Tips: 个人感觉学习完《计算机组成》和《操作系统》再去看《Java虚拟机》,也许会有更清晰的思路,而不是像大多数非科班一样直接背面筋,效果并不是很好。

    资源💾

    王道考研 | 链接: https://pan.baidu.com/s/1Dsk6KjJEwBBgNGLFWrIQDQ 密码: nmo1

    英文书籍| Operating System Concepts | Operating systems: internals and design principles

    现在的操作系统学习笔记📗

    操作系统-处理机调度(调度层次、基本准则、先来先服务、最短作业优先、高响应比、时间片轮转、优先级调度、多级反馈队列)

    操作系统-进程同步与互斥及算法实现(单标志、双标志先检查、双标志后检查、中断屏蔽、TSL指令、Swap指令、信号量机制)

    操作系统-进程同步与互斥经典问题(生产者消费者、多生产者多消费者、吸烟者、读写(读优先、写优先、读写公平)、哲学家进餐)


    基本定义

    「死锁」,就是一个死循环,一把无法解开的锁。在多道程序系统中,进程并发执行,为争夺同一个资源,会出现每一个进程都处于锁定状态的情况,且都在等待一个事件的发生(通常是请求另外一个进程释放一些资源)来触发。但是这个事件却包含在另外一个进程中,而这个进程也处于阻塞状态,导致的结果就是整个系统中的进程无法继续推进。就如下图所示,为了抢先通过十字路口,四辆车最后却同时阻塞在十字路口中央,而每一辆车都在等待另外一辆车的谦让,否则这个僵局就会持续下去,这就是死锁。


    死锁产生的原因

    系统资源的竞争

    可剥夺性资源

    进程在获得该资源后,该资源可以被其他进程或者系统剥夺。比如优先级高的进程可以剥夺优先级低的进程所支配的处理机。内存区可以通过内存管理程序将一个进程从一个存储区转移到另外一个存储区,则转移过程就是剥夺了该进程原来占有的存储区。又比如内存调度(中级调度)将进程从主存调入到外存中。因此CPU和主存均属于「可剥夺性资源」。

    引自Operating systems: internals and design principles

    Examples of reusable resources include processors; I/O channels; main and secondary memory; devices; and data structures such as files, databases, and semaphores.

    不可剥夺性资源

    系统将该类型的资源分配给某个进程后,则不能强行的回收,只能等待进程自行释放之后,例如磁带机、打印机、摄像头等,这类资源称为「不可剥夺性资源」。

    系统中所拥有的不可剥夺资源数量不足以满足多个进程运行的需要,导致进程在运行过程中,会因为争夺这种资源而出现阻塞现象。只有对于不可剥夺性资源的竞争才会出现死锁,而对于可剥夺资源的竞争是不会引起死锁的。

    进程推进顺序非法

    进程在运行过程中,请求和释放资源的顺序不当,例如以下两个并发进程按照顺序 p 0 , p 1 , q 0 , q 1 , p 2 , q 2 p_0, p_1, q_0, q_1, p_2, q_2 p0,p1,q0,q1,p2,q2运行就会出现死锁情况,D,T为可剥夺性资源,而且通常这是一个编程导致的错误。

    死锁产生的必要条件

    产生死锁必须同时满足以下四个条件,只要一个条件不成立,死锁就不会发生。

    1. 「互斥条件」:进程要求所分配的资源,在一段时间内必须仅由一个进程所占有。如果其他的进程请求该资源,则请求进程必须等待该资源的释放。
    2. 「不剥夺条件」:进程获得该资源后,只有该进程主动释放资源后,其他的进程才可以竞争该资源,不可以强行被其他进程夺走,该资源属于不可剥夺资源。
    3. 「请求并保持条件」:进程已经保持了至少一个资源,但是又需要请求新的资源,该资源又被其他的进程占有,此时请求进程就处于阻塞状态,而且自己已经持有的资源也得不到释放。
    4. 「循环等待条件」:存在一个进程资源的循环等待链,链中的每个进程在持有资源的条件下又请求另外一个进程所持有的资源。


    死锁的处理策略

    死锁预防

    死锁预防就是,破坏死锁条件中的任意一个条件即可。

    破坏互斥条件

    可以将互斥使用的资源改造为允许共享使用的资源,则系统不会进入死锁状态。例如SPOOLing技术,将外部设备同时联机操作,又称之为假脱机技术,是操作系统中采用的一种可以将独占设备改造成共享设备的技术。详情可以参考:SPOOLing技术 | SPOOLing技术(假脱机技术),而SPOOLing技术主要的特点就是:

    1. 提高了I/O的速度

    2. 将独占设备改造为共享设备

    3. 实现了虚拟设备的功能

    以打印机为例,它属于一种「不可剥夺性资源」,如果直接将该资源分配给进程,则其他的进程是无法共享该资源的。因此采用SPOOLing技术,用户请求打印输出时,SPOOLing系统统一为它打印,但是并不是真正立即将打印机分配给该用户进程,而是在共享设备(磁盘)上的输出。SPOOLing在存储区中为其分配一块存储空间,进程的输出数据以文件的形式留在这里。各个进程的数据输出文件形成了一个「输出队列」,由于SPOOLing系统控制这个打印机的进程,一次将队列中的输出文件实际打印输出。在SPOOLing系统中,实际上并没有为任何的进程分配,而只是在输入井和输出井中,为每个进程分配了一块存储区并建立了一张I/O请求表。通过这种方式将独占的设备改造为共享设备,是一种虚拟设备技术。

    破坏不可剥夺条件

    方案一

    当其中一个进程的请求资源得不到满足的时候,该进程需要主动放弃所持有的资源,等以后需要的时候再次申请资源。

    方案二

    当某个进程需要的资源被自他的进程所占有的时候,需要通过OS的协助,将资源强行剥夺。这种方式需要考虑每个进程的优先级(剥夺调度方式,处理机强行剥夺资源给优先级更高的进程使用)。

    缺点:

    1. 实现复杂。
    2. 释放已经获得的资源可能会造成前一段工作的失效。这种方法一般适用于易保存或者易恢复的资源,比如CPU。
    3. 反复的申请和释放资源会增加系统开销,降低系统的吞吐量
    4. 如果采用方案一,放弃目前拥有的资源,则该进程再次请求时,可能会一直申请不到空闲资源,导致进程饥饿。

    破坏请求并保持条件

    采用静态分配方法,即进程在运行的前一次就申请完它所需要的所有资源,资源未满前,不将它投入运行。一旦投入运行,则这些资源就一直归该进程所有,期间不再提出其他资源的请求,这样的话可以保证系统不会发生死锁。比如在哲学家进餐问题中,第一个哲学家可以提前拿起两个筷子,等他吃完饭,再释放手中的两只筷子,供其他的进程进行竞争。

    实现简单,但是会导致资源的严重浪费。有些资源仅在进程的开始或者快结束的时候才会使用,甚至不会使用。同时也会出现饥饿现象,个别的资源长期被其他的进程所占有,导致等待该资源的进程迟迟无法推进。

    破坏循环等待条件

    采用顺序资源分配方法,给系统中的资源进行编号,规定每个进程必须按照编号递增的顺序请求资源同类型的即编号相同的资源一次性申请完。假设系统中一共有10个资源,分别编号为1,2,3,…,10;在任何一个时刻,总有一个进程拥有的资源编号是最大的,这个进程申请之后的资源必然畅通无阻。

    对于P1,其最大的资源为2号,申请编号大于2的资源,这个资源可能被其他进程占有。

    对于P2,其最大的资源为4号,申请编号大于4的资源,这个资源可能被其他进程占有。

    对于P3,其最大的资源为7号,则再申请编号大于7的资源,必然畅通无阻。

    整个资源的请求链是一个单向的,不会出现循环等待的情况。而这种方式存在的问题就是编号必须相对稳定,这样也限制了新设备的添加。进程实际使用资源的顺序可能和编号递增的顺序不一致,这样会导致资源的浪费。必须规定申请的资源顺序,对于用户编程来说比较麻烦。

    避免死锁

    避免死锁同样属于事先预防策略,并不是采取某种限制措施破坏死锁的必要条件,而是在资源动态分配过程中,防止系统进入不完全状态。

    系统安全状态

    进程可以动态的申请资源,但是系统在进行资源分配之前,必须先计算此次分配的安全性。如果计算所得是安全的,则允许分配,但如果是不安全的,则让进程等待。而所谓的安全状态就是,系统可以按照某种进程的推进顺序( p 1 , p 2 . . . p n p_1,p_2...p_n p1,p2...pn),可以为每个进程 p i p_i pi分配其所需的资源,直到满足该进程对资源的最大需求,使得每个进程都可以顺序完成。此时 p 1 , p 2 . . . p n p_1,p_2...p_n p1,p2...pn就是一个安全序列,但如果系统找不到这样一组安全序列,则该系统就处于不安全状态。

    个人理解:在这里其实就是一种单向的请求链条,破坏了循环等待条件,和顺序资源分配不一样的是,这里是要规定进程的推进顺序,而不是资源的请求顺序。

    例子:假设系统中有三个进程 p 1 , p 2 , p 3 p_1,p_2,p_3 p1,p2,p3,一共有12台磁带机。进程 p 1 p_1 p1共需要10台,进程 p 2 p_2 p2共需要4台,进程 p 1 p_1 p1共需要9台。假设在某个时刻,进程 p 1 , p 2 , p 3 p_1,p_2,p_3 p1,p2,p3已分别获得5台、2台和2台,还有3台没分配。

    进程最大需求已分配可用
    p 1 p_1 p11053
    p 2 p_2 p242
    p 3 p_3 p392

    分配2个资源给 p 2 p_2 p2,满足 p 2 p_2 p2的最大需求,待 p 2 p_2 p2释放所持资源,此时空闲资源共计5个单位;

    分配5个资源给 p 1 p_1 p1,满足 p 1 p_1 p1的最大需求,待 p 1 p_1 p1释放所持资源,此时空闲资源共计10个单位;

    分配7个资源给 p 3 p_3 p3,满足 p 3 p_3 p3的最大需求,待 p 3 p_3 p3释放所持资源,此时空闲资源共计12个单位;

    最后得到安全序列 p 2 , p 1 , p 3 p_2,p_1,p_3 p2,p1,p3,这种情况下不会发生死锁。

    但是如果先给 p 3 p_3 p3分配一个资源,此时系统进入不安全状态

    之后再将剩下的两个资源分配给 p 2 p_2 p2,等待 p 2 p_2 p2进程运行完毕,回收其资源,此时空闲资源共有4个单位。此时4个单元无法满足 p 1 p_1 p1或者 p 3 p_3 p3,则此时无法再找到一个安全序列,陷入僵局,最终导致死锁。


    并不是所有的不安全状态都是死锁状态,但是当系统进入不安全状态的时候,就有可能出现死锁情况。反之,如果系统处于安全状态,系统便可以找到安全序列,避免死锁状态。

    银行家算法

    理论部分不再赘述,在很多的博客都有记载,可参考计算机操作系统_银行家算法,不过光看理论有点晕,道理其实很简单,就是遍历所有的进程,比对当前的空闲资源数量和该进程仍然需要的资源数,判断是否满足最大需求,满足则将这个进程加入安全序列,更新回收进程释放的资源,不满足则跳过该进程,依次循环检测。

    图解说明

    此时系统中包含三种资源,分别用红、橙、蓝表示。遍历查找符合条件的进程,将该进程加入到安全序列。安全序列并不唯一,还需要考虑遍历的方式、以及进程的优先级、调度算法等等。

    死锁检测及解除

    死锁预防和避免算法,其实都是在进程分配资源的时候试加限制条件或者检测,但是如果系统为进程分配资源时不采取任何措施,则应该提供死锁检测和解除的手段。

    死锁检测

    为了能对系统是否已发生了死锁进行检测,必须:

    1. 用某种数据结构来保存资源的请求和分配信息。
    2. 提供一种算法,利用上述信息来检测系统是否已进入死锁状态。

    资源分配图

    死锁的检测可以利用资源分配图来分析,该数据结构包含如下的内容:

    检测死锁的算法

    在资源分配图中,找出既不阻塞(请求资源节点的数量足够)又不是孤点的进程 p i p_i pi,该请求边所申请的数量小于等于下同已有的空闲资源数量。所有的连接该进程的边均满足上述的条件,则这个进程就可以运行直至完成。然后释放自己拥有的资源,消除进程的请求边和分配边,使后释放自己拥有的资源,消除进程的请求边和分配边之成为孤立的节点。如果所有的节点可以被消除与其相连的边,则成为该图是可完全简化的,而且一定不会发生死锁。

    对于可以消除所有的边,则称这个图是可以简化的,则一定没有发生死锁。

    而如果最终不能消除所有边,那么就一定发生了死锁。

    死锁消除

    一旦检测出死锁的发生,就应该立刻解除死锁,死锁的检测就是通过简化资源分配图。解除死锁的主要方法:

    1. 「资源剥夺法」。通过内存调度将死锁进程转移至外存中挂起,抢占其资源,并将这些资源分配给其他的死锁进程。
    2. 「撤销进程法(或终止进程法)」。强制杀死该进程,剥夺这些进程的资源。虽然实现简单,但是付出的代价可能会很大,部分进程很可能运行了很长时间,但是被杀之后,功亏一篑。
    3. 「进程回退法」。让一个或者多个死锁进程回退到足以避免死锁的地步。这要求系统要记录进程的历史信息,设置还原点。
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