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一、设计目的 1、了解多道程序系统中，多个进程并发执行的资源分配。2、掌握死锁的产生的原因、产生死锁的必要条件和处理死锁的基本方法。3、掌握预防死锁的方法，系统安全状态的基本概念。4、掌握银行家算法，了解资源在进程并发执行中的资源分配策略。5、理解死锁避免在当前计算机系统不常使用的原因。 二、设计任务① 在Window98/2000 系统的TC2.0环境下运行程序；② 通过最有代表性的避免死锁的算法(Dijkstra)的银行家算法程序实现来理解进程并发中的资源分配，死锁避免在死锁解决中的可行性；③ 设计程序在自动、手动方式下运行，理解银行家算法的实质。三、设计内容与步骤A、银行家算法设计的知识准备。 1、死锁概念。在多道程序系统中，虽可借助于多个进程的并发执行，来改善系统的资源利用率，提高系统的吞吐量，但可能发生一种危险━━死锁。所谓死锁(Deadlock),是指多个进程在运行中因争夺资源而造成的一种僵局(Deadly_Embrace),当进程处于这种僵持状态时，若无外力作用，它们都将无法再向前推进。一组进程中，每个进程都无限等待被该组进程中另一进程所占有的资源，因而永远无法得到的资源，这种现象称为进程死锁，这一组进程就称为死锁进程。2、关于死锁的一些结论：Ø 参与死锁的进程最少是两个Ø （两个以上进程才会出现死锁）Ø 参与死锁的进程至少有两个已经占有资源Ø 参与死锁的所有进程都在等待资源Ø 参与死锁的进程是当前系统中所有进程的子集 注：如果死锁发生，会浪费大量系统资源，甚至导致系统崩溃。3、资源分类。永久性资源： 可以被多个进程多次使用（可再用资源）l 可抢占资源l 不可抢占资源临时性资源：只可使用一次的资源；如信号量,中断信号，同步信号等（可消耗性资源） “申请--分配--使用--释放”模式 4、产生死锁的四个必要条件：互斥使用（资源独占）、不可强占（不可剥夺）、请求和保持（部分分配，占有申请）、循环等待。1) 互斥使用（资源独占） 一个资源每次只能给一个进程使用2) 不可强占（不可剥夺） 资源申请者不能强行的从资源占有者手中夺取资源，资源只能由占有者自愿释放3) 请求和保持（部分分配，占有申请）一个进程在申请新的资源的同时保持对原有资源的占有（只有这样才是动态申请，动态分配）4) 循环等待存在一个进程等待队列 {P1 , P2 , … , Pn}, 其中P1等待P2占有的资源，P2等待P3占有的资源，…，Pn等待P1占有的资源，形成一个进程等待环路 5、 死锁的解决方案5.1 产生死锁的例子 申请不同类型资源产生死锁P1：…申请打印机申请扫描仪使用释放打印机释放扫描仪…P2：…申请扫描仪申请打印机使用释放打印机释放扫描仪…申请同类资源产生死锁（如内存）设有资源R，R有m个分配单位，由n个进程P1,P2,…,Pn（n > m）共享。假设每个进程对R的申请和释放符合下列原则： * 一次只能申请一个单位 * 满足总申请后才能使用 * 使用完后一次性释放m=2，n=3资源分配不当导致死锁产生5.2死锁预防: 定义:在系统设计时确定资源分配算法，保证不发生死锁。具体的做法是破坏产生死锁的四个必要条件之一①破坏“不可剥夺”条件 在允许进程动态申请资源前提下规定，一个进程在申请新的资源不能立即得到满足而变为等待状态之前，必须释放已占有的全部资源，若需要再重新申请②破坏“请求和保持”条件 要求每个进程在运行前必须一次性申请它所要求的所有资源，且仅当该进程所要资源均可满足时才给予一次性分配③破坏“循环等待”条件采用资源有序分配法：把系统中所有资源编号，进程在申请资源时必须严格按资源编号的递增次序进行，否则操作系统不予分配6．安全状态与不安全状态安全状态： 如果存在一个由系统中所有进程构成的安全序列P1，…Pn，则系统处于安全状态。一个进程序列{P1，…，Pn}是安全的，如果对于每一个进程Pi(1≤i≤n），它以后尚需要的资源量不超过系统当前剩余资源量与所有进程Pj (j < i )当前占有资源量之和，系统处于安全状态 (安全状态一定是没有死锁发生的)不安全状态:不存在一个安全序列，不安全状态一定导致死锁。B、银行家算法一、银行家算法中的数据结构 1．可利用资源向量Available它是一个含有m个元素的数组，其中的每一个元素代表一类可利用的资源数目，其初始值是系统中所配置的该类全部可用资源数目。其数值随该类资源的分配和回收而动态地改变。如果Available[j]=K,则表示系统中现有Rj类资源K个。2．最大需求短阵Max 这是—个n×m的矩阵，它定义了系统中n个进程中的每一个进程对m类资源的最大需求。如果Max(i，j)＝K，表示进程i需要Rj类资源的最大数目为K。3．分配短阵Allocation 这是一个n×m的矩阵，它定义了系统中每一类资源当前已分配给每个进程的资源数。如果Allocation(i,j)＝K，表示进程i当前已分得Rj类资源的数目为K。4．需求矩阵Need 它是一个n×m的矩阵，用以表示每一个进程尚需的各类资源数，如果Need[i,j]=K，则表示进程i还需要Rj类资源k个，方能完成其任务。上述三个矩阵间存在下述关系： Need[i,j]=Max[i,j]-Allocation[i,j]二、银行家算法 设Requesti是进程Pi的请求向量。如果Requesti[j]＝k，表示进程只需要k个Rj类型的资源。当Pi发出资源请求后，系统按下述步骤进行检查：（1）如果 Requesti[j]<=Need[i,j]，则转向步骤2；否则，认为出错，因为它所需要的资源数已超过它所宣布的最大值。（2）如果Requesti[j]<=Available[j] ，则转向步骤3；否则，表示系统中尚无足够的资源，Pi必须等待。（3）系统试探把要求的资源分配给进程Pi，并修改下面数据结构中的数值： Available[j]:=Available[j]-Requesti[j]; Allocation[i,j]:=Allocation[i,j]+Requesti[j]; Need[i,j]:=Need[i,j]-Requesti[j];（4）系统执行安全性算法，检查此次资源分配后，系统是否处于安全状态。若安全，才正式将资源分配给进程Pi，以完成本次分配；否则，将试探分配作废，恢复原来的资源分配状态，让进程Pi等待。 三、安全性算法 系统所执行的安全性算法可描述如下：（1）设置两个向量 ①、工作向量Work。它表示系统可提供给进程继续运行所需要的各类资源数目，它含有m个元素，执行安全算法开始时，Work = Available。 ②、Finish。它表示系统是否有足够的资源分配给进程，使之运行完成，开始时先做Finish[i]:=false ；当有足够资源分配给进程时，令 Finish[i]:=true。（2）从进程集合中找到一个能满足下述条件的进程： ①、Finish[i]=false; ②、Need[i,j]<=Work[j];如找到，执行步骤（3）；否则，执行步骤（4）。（3）当进程Pi获得资源后，可顺利执行，直至完成，并释放出分配给它的资源，故应执行： Work[j]:=Work[i]+Allocation[i,j]; Finish[i]:=true; goto step 2；（4）如果所有进程的Finish[i]:=true，则表示系统处于安全状态；否则，系统处于不安全状态。四、银行家算法之例 假定系统中有五个进程：{P0，P1，P2，P3，P4}和三种类型的资源{A，B，C}，每一种资源的数量分别为10、5、7,在T0时刻的资源分配情况如图1所示。 资源情况进程 Max A B C Allocation A B C Need A B C Available A B CP0 7 5 3 0 1 0 7 4 3 3 3 2(2 3 0)P1 3 2 2 2 0 0(3 0 2) 1 2 2 (0 2 0)P2 9 0 2 3 0 2 6 0 0P3 2 2 2 2 1 1 0 1 1P4 4 3 3 0 0 2 4 3 1(1) T0时刻的安全性：利用安全性算法对T0时刻的资源分配情况进行分析(如图2)可知，在T0时刻存在着一个安全序列｛P1，P3，P4，P2，P0｝，故系统是安全的。资源情况进程WorkA B CNeedA B CAllocationA B CWork+allocationA B CFinishP1 3 2 2 1 2 2 2 0 0 5 3 2trueP3 5 3 2 0 1 1 2 1 1 7 4 3trueP4 7 4 3 4 3 1 0 0 2 7 4 5trueP2 7 4 5 6 0 0 3 0 2 10 4 7trueP0 10 4 7 7 4 3 0 1 0 10 5 7true (2) P1请求资源：P1发出请求向量Request1(1,0,2),系统按银行家算法进行检查： ①Request1(1,0,2)<=Need1(1,2,2) ②Request1(1,0,2)<=Available1
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