银行家算法（Banker‘s Algorithm）详解

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于 2025-02-11 22:56:57 发布

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前言

银行家算法（Banker's Algorithm）是一种用于避免死锁的资源分配算法，由计算机科学家 Edsger Dijkstra 提出。它主要用于操作系统中，确保系统在分配资源时不会进入不安全状态，从而避免死锁的发生。银行家算法的核心思想是模拟资源分配，检查分配后系统是否仍然处于安全状态。

1. 基本概念

1.1 资源

系统中存在多种资源，每种资源有一定的数量。
资源可以是硬件设备（如打印机、内存）或软件资源（如文件句柄）。

1.2 进程

进程是资源的使用者，每个进程在执行过程中会申请和释放资源。

1.3 安全状态

系统处于安全状态是指存在一个进程执行序列，使得每个进程都能顺利获得所需资源并完成执行，而不会发生死锁。
如果系统处于不安全状态，则可能导致死锁。

1.4 数据结构

假设系统中有n个进程、m种系统资源，则银行家算法用以下数据结构来描述资源和进程的状态：

Available：一个长度为 m 的数组，表示每种资源的可用数量。
Max：一个 n×m 的矩阵，表示每个进程对每种资源的最大需求。
Allocation：一个 n×m的矩阵，表示每个进程当前已分配的资源数量。
Need：一个 n×m 的矩阵，表示每个进程还需要的资源数量，公式为：

Need[ i ][ j ] = Ma x [ i ] [ j ] − Allocation[ i ] [ j ]

2. 银行家算法的流程

银行家算法的操作流程可以分为两个主要部分：

安全性检查算法：用于检查系统是否处于安全状态。
资源请求算法：用于处理进程的资源请求，并判断是否允许分配。

2.1 安全性检查算法

安全性检查算法的目的是判断系统是否处于安全状态。步骤如下：

（1）初始化：

首先创建两个数组：

Work：长度为 m，表示当前可用的资源数量，初始值为 Available。
Finish：长度为 n，表示每个进程是否能够完成，初始值为 false。

（2）寻找一个满足条件的进程 Pi：

Finish[i]=false。
Need[i]≤Work（即进程 Pi所需的资源小于等于当前可用资源）。

（3）如果找到这样的进程 Pi：

假设 Pi完成，释放其占用的资源，更新 Work=Work+Allocation[i]。
设置 Finish[i] = true。
重复步骤 2，直到所有进程都完成（Finish 数组全为 true）或没有符合条件的进程。

（4）判断系统是否处于安全状态：

如果所有进程都能完成，则系统处于安全状态；否则，系统处于不安全状态。

2.2 资源请求算法

当一个进程请求资源时，银行家算法会检查是否允许分配。步骤如下：

1. 检查请求是否合法：

如果进程 PiP_i 请求的资源数量 Request[i] 大于其需求 Need[i]，则拒绝请求（非法请求）。
如果 Request[i] 大于当前可用资源 Available，则进程必须等待。

2. 假设分配资源：

则先预更新数据结构：

Available = Available−Request[i]

Allocation[i] = Allocation[i]+Request[i]

Need[i] = Need[i]−Request[i]

3. 调用安全性检查算法，判断系统是否仍然处于安全状态：

如果安全，则允许分配。
如果不安全，则回滚分配（恢复原来的 Available、Allocation 和 Need）并让进程等待。