死锁避免——银行家算法的应用背景

要想说银行家，首先得说死锁问题，因为银行家算法就是为了死锁避免提出的。那么，什么是死锁？简单的举个例子：俩人吃饺子，一个人手里拿着酱油，一个人手里拿着醋，拿酱油的对拿着醋的人说：“你把醋给我，我就把酱油给你”；拿醋的对拿着酱油的人说：“不，你把酱油给我，我把醋给你。”

于是，俩人这两份调料是永远吃不上了。这就是死锁。

那么，为啥这个算法叫银行家算法？因为这个算法同样可以用于银行的贷款业务。让我们考虑下面的情况。

一个银行家共有20亿财产 第一个开发商：已贷款15亿，资金紧张还需3亿。 第二个开发商：已贷款5亿，运转良好能收回。 第三个开发商：欲贷款18亿

在这种情况下，如果你是银行家，你怎么处理这种情况？一个常规的想法就是先等着第二个开发商把钱收回来，然后手里有了5个亿，再把3个亿贷款给第一个开发商，等第一个开发商收回来18个亿，然后再把钱贷款给第三个开发商。 这里面什么值得学习呢？最重要的就是眼光放长一点，不要只看着手里有多少钱，同时要注意到别人欠自己的钱怎么能收回来。

那么正经点说这个问题，第一个例子中：醋和酱油是资源，这俩吃饺子的是进程；第二个例子中：银行家是资源，开发商是进程。在操作系统中，有内存，硬盘等等资源被众多进程渴求着，那么这些资源怎么分配给他们才能避免“银行家破产”的风险？

银行家算法

安全序列

安全序列是指对当前申请资源的进程排出一个序列，保证按照这个序列分配资源完成进程，不会发生“酱油和醋”的尴尬问题。

我们假设有进程P1,P2,…..Pn 则安全序列要求满足：Pi(1<=i<=n)需要资源<=剩余资源 + 分配给Pj(1 <= j < i)资源 为什么等号右边还有已经被分配出去的资源？想想银行家那个问题，分配出去的资源就好比第二个开发商，人家能还回来钱，咱得把这个考虑在内。

我们定义下面的数据结构

int n,m; //系统中进程总数n和资源种类总数m
int Available[1..m]; //资源当前可用总量
int Allocation[1..n,1..m]; //当前给分配给每个进程的各种资源数量
int Need[1..n,1..m];//当前每个进程还需分配的各种资源数量
int Work[1..m]; //当前可分配的资源
bool Finish[1..n]; //进程是否结束

安全判定算法

1.初始化

Work = Available（动态记录当前剩余资源）
Finish[i] = false（设定所有进程均未完成）

2.查找可执行进程Pi（未完成但目前剩余资源可满足其需要，这样的进程是能够完成的）

Finish[i] = false          
Need[i] <= Work 
如果没有这样的进程Pi，则跳转到第4步

3.（若有则）Pi一定能完成，并归还其占用的资源，即：

Finish[i] = true           
Work = Work +Allocation[i]
GOTO 第2步，继续查找

4.如果所有进程Pi都是能完成的，即Finish[i]=ture 则系统处于安全状态，否则系统处于不安全状态

伪代码:

Boolean Found;
Work = Available; Finish[1..n] = false; 
while(true){
    //不断的找可执行进程
   Found = false;
   for(i=1; i<=n; i++){
     if(Finish[i]==false && Need[i]<=Work){
        Work = Work + Allocation[i];//把放出去的贷款也当做自己的资产
        Finish[i] = true; 
        Found = true;
      }
    }
   if(Found==false)break;
 }
for(i=1;i<=n;i++) 
  if(Finish[i]==false)return “deadlock”; //如果有进程是完不成的，那么就是有死锁

示例

举个实际例子，假设下面的初始状态：

processAllocationNeedAvailable
A B CA B CA B C
P00 1 07 4 33 3 2
P12 0 01 2 2
P23 0 26 0 0
P32 1 10 1 1
P40 0 24 3 1

首先，进入算法第一步，初始化。 那么Work = Available = [3 3 2]

首先看P0： P0的Need为[7 4 3]，Available不能满足，于是跳过去

P1的Need为[1 2 2]可以满足，我们令Work = Allocation[P1] + Work 此时Work = [5 3 2]

再看P2，P2的Need为[6 0 0]，那么现有资源不满足。跳过去。

看P3，那么看P3，Work可以满足。那么令Work = Allocation[P3] + Work，此时Work = [7 4 3]

再看P4，Work可以满足。令Work = Allocation[P4] + Work ，此时Work = [7 4 5]

到此第一轮循环完毕，由于找到了可用进程，那么进入第二轮循环。

看P0，Work此时可以满足。令Work = Allocation[P0] + Work ，此时Work = [7 5 5]

再看P2，此时Work可以满足P2。令Work = Allocation[P2] + Work ， 此时Work = [10 5 7]

至此，算法运行完毕。找到安全序列<P1,P3,P4,P0,P2>，证明此时没有死锁危险。(安全序列未必唯一)

资源请求算法

之前说完了怎么判定当前情况是否安全，下面就是说当有进程新申请资源的时候如何处理。 我们将第i个进程请求的资源数记为Requests[i]

算法流程：

1.如果Requests[i]<=Need[i]，则转到第二步。否则，返回异常。这一步是控制进程申请的资源不得大于需要的资源

2.如果Requests[i]<=Available，则转到第三步，否则Pi等待资源。

3.如果满足前两步，那么做如下操作：

Available = Available -Requests[i]
Allocation = Allocation[i]+Requests[i]
Need[i]=Need[i]-Requests[i]
调用安全判定算法，检查是否安全
if(安全)
{
    申请成功，资源分配
}
else
{
    申请失败，资源撤回。第三步前几个操作进行逆操作
}