银行家算法C++实现：如何保证系统安全性与资源利用率

发布时间：2023-05-20

一、什么是银行家算法

银行家算法最早由荷兰计算机科学家Dijkstra在1962年提出，是一种避免死锁的算法。在多道程序环境下，银行家算法可以避免竞争资源的进程因互相等待而陷入僵局的情况，从而保证系统运行的安全性。

二、如何实现银行家算法

在实现银行家算法时，需要使用到几个重要的数据结构：进程向量（available）、最大需求矩阵（max）、已分配矩阵（allocation）和需求矩阵（need）。

// 银行家算法C++代码实现
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
// 进程向量（可用资源向量）
vector<int> available;
// 最大需求矩阵
vector<vector<int>> max;
// 已分配矩阵
vector<vector<int>> allocation;
// 需求矩阵
vector<vector<int>> need;
// 进行银行家算法，判断是否分配资源
bool isSafe(vector<int> request, int processId) {
    // 分配资源前的状态
    cout << "进程 " << processId << " 请求资源：";
    for (int i = 0; i < request.size(); i++) {
        cout << request[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    cout << "可用资源向量：";
    for (int i = 0; i < available.size(); i++) {
        cout << available[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    cout << "最大需求矩阵：" << endl;
    for (int i = 0; i < max.size(); i++) {
        for (int j = 0; j < max[i].size(); j++) {
            cout << max[i][j] << " ";
        }
        cout << endl;
    }
    cout << "已分配矩阵：" << endl;
    for (int i = 0; i < allocation.size(); i++) {
        for (int j = 0; j < allocation[i].size(); j++) {
            cout << allocation[i][j] << " ";
        }
        cout << endl;
    }
    cout << "需求矩阵：" << endl;
    for (int i = 0; i < need.size(); i++) {
        for (int j = 0; j < need[i].size(); j++) {
            cout << need[i][j] << " ";
        }
        cout << endl;
    }
    // 判断是否分配资源
    for (int i = 0; i < request.size(); i++) {
        if (request[i] > need[processId][i] || request[i] > available[i]) {
            return false;
        }
    }
    for (int i = 0; i < request.size(); i++) {
        available[i] -= request[i];
        allocation[processId][i] += request[i];
        need[processId][i] -= request[i];
    }
    return true;
}
int main() {
    // 初始化数据结构
    available = {3, 3, 2};
    max = {
        {7, 5, 3},
        {3, 2, 2},
        {9, 0, 2},
        {2, 2, 2},
        {4, 3, 3}
    };
    allocation = {
        {0, 1, 0},
        {2, 0, 0},
        {3, 0, 2},
        {2, 1, 1},
        {0, 0, 2}
    };
    need.resize(max.size(), vector<int>(max[0].size()));
    for (int i = 0; i < need.size(); i++) {
        for (int j = 0; j < need[i].size(); j++) {
            need[i][j] = max[i][j] - allocation[i][j];
        }
    }
    // 进行银行家算法
    vector<int> request = {1, 0, 2};
    int processId = 1;
    if (isSafe(request, processId)) {
        cout << "分配成功！" << endl;
    } else {
        cout << "分配失败！" << endl;
    }
}

三、如何保证系统安全性与资源利用率

保证系统安全性和资源利用率是银行家算法实现的重要目标。系统安全性是指避免死锁的情况发生，而资源利用率则是指资源得到了充分利用，没有闲置，同时也避免了资源的浪费。 具体到银行家算法的实现上，为了保证系统安全性，需要使用到银行家算法的核心方法：安全序列法，通过检测系统当前可用资源是否能够满足某个进程的需求来避免死锁。而为了保证资源的利用率，需要在分配资源时，考虑到该资源的需求量和系统中还剩余的资源量，从而尽可能利用系统中的资源，避免资源浪费。

四、参考文献

  1. Dijkstra E W. Solution of a problem in concurrent programming control[J]. Communications of the ACM, 1965, 8(9): 569-570.
  2. Silberschatz A, Galvin P B, Gagne G. Operating system concepts essentials[M]. John Wiley & Sons, 2013.
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