一、实验目的
本实验旨在通过模拟银行家算法，理解操作系统中死锁预防与避免机制的基本原理。通过实际编程实现该算法，加深对资源分配策略的理解，并掌握如何在多进程环境中安全地进行资源分配，从而避免系统进入不安全状态。
二、实验内容
本次实验主要围绕银行家算法展开，包括以下几个部分：
1. 算法原理理解：了解银行家算法的提出背景、基本思想及其在操作系统中的应用。
2. 数据结构设计：根据算法要求，设计合适的数组或结构体来表示进程、资源类型及各进程对资源的需求。
3. 算法实现：编写程序模拟银行家算法的运行过程，包括安全性检查和资源请求处理。
4. 测试与分析：通过不同场景下的测试用例，验证算法的正确性并分析其性能表现。
三、实验环境
- 操作系统：Windows 10
- 编程语言：C/C++ 或 Java（根据个人选择）
- 开发工具：Visual Studio / Eclipse / Code::Blocks 等
- 实验平台：本地计算机
四、算法原理简介
银行家算法由Dijkstra提出，用于避免死锁的发生。其核心思想是：系统在分配资源前，先判断该分配是否会导致系统进入不安全状态。如果不会，则允许分配；否则，拒绝分配，直到系统处于安全状态为止。
银行家算法包含以下四个关键数据结构：
- Available：表示当前系统中各类资源的可用数量。
- Max：表示每个进程对各类资源的最大需求量。
- Allocation：表示每个进程已经分配到的资源数量。
- Need：表示每个进程还需要的资源数量，即 `Need[i][j] = Max[i][j] - Allocation[i][j]`。
算法的主要步骤如下：
1. 初始化：设置初始资源数、各进程最大需求及已分配资源。
2. 安全性检查：从当前状态出发，寻找一个安全序列，即按顺序为各个进程分配资源，使其完成任务后释放资源，供其他进程使用。
3. 资源请求处理：当进程提出资源请求时，首先检查其请求是否超过其最大需求，若未超过，则进一步判断系统是否能满足该请求而不进入不安全状态。若可以，则分配资源；否则，拒绝请求。
五、程序实现
以下为银行家算法的核心逻辑代码片段（以C语言为例）：
```c
include
define MAX_PROCESSES 5
define MAX_RESOURCES 3
int available[MAX_RESOURCES];
int max[MAX_PROCESSES][MAX_RESOURCES];
int allocation[MAX_PROCESSES][MAX_RESOURCES];
int need[MAX_PROCESSES][MAX_RESOURCES];
void calculate_need() {
for (int i = 0; i < MAX_PROCESSES; i++) {
for (int j = 0; j < MAX_RESOURCES; j++) {
need[i][j] = max[i][j] - allocation[i][j];
}
}
}
int is_safe() {
int work[MAX_RESOURCES];
int finish[MAX_PROCESSES] = {0};
// 初始化工作数组
for (int i = 0; i < MAX_RESOURCES; i++) {
work[i] = available[i];
}
int count = 0;
while (count < MAX_PROCESSES) {
int found = 0;
for (int i = 0; i < MAX_PROCESSES; i++) {
if (!finish[i]) {
int can_allocate = 1;
for (int j = 0; j < MAX_RESOURCES; j++) {
if (need[i][j] > work[j]) {
can_allocate = 0;
break;
}
}
if (can_allocate) {
for (int j = 0; j < MAX_RESOURCES; j++) {
work[j] += allocation[i][j];
}
finish[i] = 1;
count++;
found = 1;
}
}
}
if (!found) {
return 0; // 不安全状态
}
}
return 1; // 安全状态
}
int main() {
// 初始化资源、最大需求、已分配等数据
// ...
calculate_need();
if (is_safe()) {
printf("系统处于安全状态。\n");
} else {
printf("系统处于不安全状态。\n");
}
return 0;
}
```
六、实验结果与分析
通过多次测试不同的资源分配情况，发现银行家算法能够有效避免系统进入死锁状态。在某些情况下，即使某个进程请求的资源超出当前可用范围，系统也能通过合理的调度避免死锁发生。
此外，算法在资源利用率方面也有一定限制，因为为了保证系统的安全性，可能会拒绝一些合理的资源请求。因此，在实际应用中需要权衡安全性与资源利用率之间的关系。
七、实验总结
本次实验通过对银行家算法的模拟实现，深入理解了操作系统中资源分配与死锁预防的机制。通过动手编程，不仅巩固了理论知识，也提高了对算法逻辑的把握能力。同时，也认识到在实际系统中，资源管理是一个复杂且重要的问题，需要综合考虑多种因素。
八、参考文献
1. 《操作系统导论》—— Andrew S. Tanenbaum
2. 《现代操作系统》—— Andrew S. Tanenbaum
3. 银行家算法相关论文及技术文档
