【作業系統】銀行家演算法

作業系統–避免死鎖演算法—-銀行家演算法

銀行家演算法

是一種用來避免作業系統死鎖出現的有效演算法，所以在引入銀行家演算法的解釋之前，有必要簡單介紹下死鎖的概念。

死鎖：是指兩個或兩個以上的程式在執行過程中，由於競爭資源或者由於彼此通訊而造成的一種阻塞的現象，若無外力作用，它們都將無法推進下去。此時稱系統處於死鎖狀態或系統產生了死鎖，這些永遠在互相等待的程式稱為死鎖程式。

死鎖的發生必須具備以下四個必要條件：

1）互斥條件：指程式對所分配到的資源進行排它性使用，即在一段時間內某資源只由一個程式佔用。如果此時還有其它程式請求資源，則請求者只能等待，直至佔有資源的程式用畢釋放。
2）請求和保持條件：指程式已經保持至少一個資源，但又提出了新的資源請求，而該資源已被其它程式佔有，此時請求程式阻塞，但又對自己已獲得的其它資源保持不放。
3）不搶佔條件：指程式已獲得的資源，在未使用完之前，不能被剝奪，只能在使用完時由自己釋放。
4）迴圈等待條件：指在發生死鎖時，必然存在一個程式——資源的環形鏈，即程式集合{P0，P1，P2，···，Pn}中的P0正在等待一個P1佔用的資源；P1正在等待P2佔用的資源，……，Pn正在等待已被P0佔用的資源。

避免死鎖演算法中最有代表性的演算法就是Dijkstra E.W 於1968年提出的銀行家演算法，銀行家演算法是避免死鎖的一種重要方法，防止死鎖的機構只能確保上述四個條件之一不出現，則系統就不會發生死鎖。

為實現銀行家演算法，系統必須設定若干資料結構，同時要解釋銀行家演算法，必須先解釋作業系統安全狀態和不安全狀態。

安全序列:是指一個程式序列{P1，…，Pn}是安全的，即對於每一個程式Pi(1≤i≤n），它以後尚需要的資源量不超過系統當前剩餘資源量與所有程式Pj (j < i )當前佔有資源量之和。

安全狀態：如果存在一個由系統中所有程式構成的安全序列P1，…，Pn，則系統處於安全狀態。安全狀態一定是沒有死鎖發生。

不安全狀態：不存在一個安全序列。不安全狀態不一定導致死鎖。

資料結構：
1）可利用資源向量Available
是個含有m個元素的陣列，其中的每一個元素代表一類可利用的資源數目。如果Available[j]=K，則表示系統中現有Rj類資源K個。
2）最大需求矩陣Max
這是一個n×m的矩陣，它定義了系統中n個程式中的每一個程式對m類資源的最大需求。如果Max[i,j]=K，則表示程式i需要Rj類資源的最大數目為K。
3）分配矩陣Allocation
這也是一個n×m的矩陣，它定義了系統中每一類資源當前已分配給每一程式的資源數。如果Allocation[i,j]=K，則表示程式i當前已分得Rj類資源的 數目為K。
4）需求矩陣Need

這也是一個n×m的矩陣，用以表示每一個程式尚需的各類資源數。如果Need[i,j]=K，則表示程式i還需要Rj類資源K個，方能完成其任務。

下面是三者之間的關係:

Need[i,j]=Max[i,j]-Allocation[i,j]

銀行家演算法:

設Request(i)是程式Pi的請求向量，如果Request(i)[j]=k，表示程式Pi需要K個R(j)型別的資源。當Pi發現資源請求後系統將進行下列步驟

(1)如果Request(i)[j] <= Need[i,j],邊轉向步驟2),否則認為出錯，因為它所請求的資源數已超過它所宣佈的最大值。

(2)如果Request(i)[j] <= Available[i,j]，便轉向步驟3)，否則，表示尚無足夠資源，Pi需等待。

(3)系統試探著把資源分配給程式Pi，並需要修改下面資料結構中的數值；

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];