银行家算法C++代码实现

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一、算法介绍

​ 银行家算法（Banker’s Algorithm）是一个避免死锁（Deadlock）的著名算法，是由艾兹格·迪杰斯特拉在1965年为T.H.E系统设计的一种避免死锁产生的算法。它以银行借贷系统的分配策略为基础，判断并保证系统的安全运行。

​ 多个进程动态地共享系统的资源可能会产生死锁现象。死锁的产生，必须同时满足四个条件，第一个是互斥条件，即一个资源每次只能由一个进程占用；第二个为请求和保持条件，即一个进程请求资源不能满足时，它必须等待，但它仍继续保持已得到的所有其它资源；第三个是不剥夺条件，任何一个进程不能抢占另一个进程已经获得且未释放的资源；第四个为循环等待条件，系统中存在若干个循环等待的进程，即其中每一个进程分别等待它前一个进程所持有的资源，防止死锁的机构只须确保上述四个条件之一不出现，则系统就不会发生死锁。在实验中假定系统中任一资源在每一时刻只能由一个进程使用，任何进程不能抢占其它进程正在使用的资源，当进程得不到资源时必须等待。因此只要资源分配策略能保证进程不出现循环等待，则系统就不会发生死锁。

二、算法背景简介

​ 在银行中，客户申请贷款的数量是有限的，每个客户在第一次申请贷款时要声明完成该项目所需的最大资金量，在满足所有贷款要求时，客户应及时归还。银行家在客户申请的贷款数量不超过自己拥有的最大值时，都应尽量满足客户的需要。在这样的描述中，银行家就好比操作系统，资金就是资源，客户就相当于要申请资源的进程。

​ 银行家算法是一种最有代表性的避免死锁的算法。在避免死锁方法中允许进程动态地申请资源，但系统在进行资源分配之前，应先计算此次分配资源的安全性，若分配不会导致系统进入不安全状态，则分配，否则等待。为实现银行家算法，系统必须设置若干数据结构。

​ 要解释银行家算法，必须先解释操作系统安全状态和不安全状态。

​ 安全序列是指一个进程序列{P1，…，Pn}是安全的，即对于每一个进程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。

三、测试数据

测试题目如下图所示：

测试数据文件banker.dat：

四、代码实现

banker.cpp

#include<iostream>
#include<fstream>
#include<Windows.h>
#include<queue>
using namespace std;
const int M = 100;

int pro = 0;//线程数目
int source = 0;//资源数目
queue<int> safeq;//安全序列
//安全性算法 
bool check(int available[], int max[][M], int allocation[][M], int need[][M]) {
	bool finished[100] = { false };//标记某一线程是否已经完成所有资源的借贷
	int available2[100];//可利用资源向量available 
	int max2[100][100];//最大需求矩阵max 
	int allocation2[100][100];//分配矩阵allocation 
	int need2[100][100];//需求矩阵need
	//为四个矩阵赋值
	for (int i = 0; i < pro; i++) {
		for (int j = 0; j < source; j++) {
			available2[j] = available[j];
			max2[i][j] = max[i][j];
			allocation2[i][j] = allocation[i][j];
			need2[i][j] = need[i][j];
		}
	}

	while (1) {
		int sumNeed = 0;
		for (int i = 0; i < pro; i++) {
			for (int j = 0; j < source; j++) {
				sumNeed += need2[i][j];
			}
			if (sumNeed != 0) {
				break;
			}
		}
		//如果need矩阵中所有的值都为0，即所有的需求都已经被满足
		if (sumNeed == 0) {
			return true;
		}
		//用于标记是否满足了某个线程的请求，如果都无法满足，则出现了不安全队列
		bool needflag = false;
		for (int i = 0; i < pro; i++) {
			bool flag = true;
			for (int j = 0; j < source; j++) {
				if (need2[i][j] > available2[j]) {
					flag = false;
				}
			}
			if (flag && !finished[i]) {
				needflag = true;
				safeq.push(i);
				for (int j = 0; j < source; j++) {
					allocation2[i][j] = allocation2[i][j] + need2[i][j];
					need2[i][j] = 0;
					available2[j] = available2[j] + allocation2[i][j];
					finished[i] = true;
				}

			}
			else {
				continue;
			}

		}
		if (!needflag) {
			cout << "出现了不安全序列！！\n";
			return false;
		}
	}


	return false;
}


//主函数
int main() {
	int available[100];//可利用资源向量available 
	int max[100][100];//最大需求矩阵max 
	int allocation[100][100];//分配矩阵allocation 
	int need[100][100];//需求矩阵need

	cout << "正在读取数据文件\n";
	Sleep(2000);
	ifstream inFile;
	inFile.open("banker.dat");
	if (!inFile.is_open())
		cout << "文件打开时候出错！！" << endl;
	inFile >> pro >> source;
	cout << "共有" << pro << "个线程，" << source << "种资源\n";

	if (pro >= 100 || source >= 100) {
		cout << "输入的线程或资源数目过大！！";
		exit(0);
	}

	while (!inFile.eof()) {           // 若未到文件结束一直循环

		//读入available
		for (int i = 0; i < pro; i++) {
			inFile >> available[i];
		}

		//读入max
		for (int i = 0; i < pro; i++) {
			for (int j = 0; j < source; j++) {
				inFile >> max[i][j];
			}
		}

		//读入allocation
		for (int i = 0; i < pro; i++) {
			for (int j = 0; j < source; j++) {
				inFile >> allocation[i][j];
			}
		}

		//读入need
		for (int i = 0; i < pro; i++) {
			for (int j = 0; j < source; j++) {
				need[i][j] = max[i][j] - allocation[i][j];
			}
		}
	}
	inFile.close();

	//打印提示信息
	cout << "************************************************\n";
	cout << "        操作系统实验模拟银行家算法\n";
	cout << "        作者：CSDN Carmelo_7 主页： https://blog.csdn/Carmelo_7?spm=1000.2115.3001.5343\n";
	cout << "************************************************\n";

	cout << "AVAILABLE:\n";
	for (int i = 0; i < pro; i++) {
		cout << available[i] << " ";
	}
	cout << "\n";
	cout << "MAX:\n";
	for (int i = 0; i < pro; i++) {
		for (int j = 0; j < source; j++) {
			cout << max[i][j] << " ";
		}
		cout << "\n";
	}
	cout << "ALLOCATION:\n";
	for (int i = 0; i < pro; i++) {
		for (int j = 0; j < source; j++) {
			cout << allocation[i][j] << " ";
		}
		cout << "\n";
	}
	cout << "NEED:\n";
	for (int i = 0; i < pro; i++) {
		for (int j = 0; j < source; j++) {
			cout << need[i][j] << " ";
		}
		cout << "\n";
	}
	//检查当前状态是否安全
	if (check(available, max, allocation, need) == true) {
		cout << "操作系统现有状态安全！\n" << "安全序列为：";
		while (!safeq.empty()) {
			cout << "P" << safeq.front() << " ";
			safeq.pop();
		}
	}
	else {
		cout << "操作系统现有状态不安全！\n";
		exit(0);
	}

	//线程开始请求相应的资源
	bb:
	while (true) {
		int proNo;
		int request[100];
		cout << "输入请求的线程号：";
		cin >> proNo;

		for (int i = 0; i < source; i++) {
			cout << "\n输入线程对于资源" << i << "的请求数量:\n";
			cin >> request[i];
		}
		//复制一份四个矩阵
		int available2[100];//可利用资源向量available 
		int max2[100][100];//最大需求矩阵max 
		int allocation2[100][100];//分配矩阵allocation 
		int need2[100][100];//需求矩阵need
		//为四个矩阵赋值
		for (int i = 0; i < pro; i++) {
			for (int j = 0; j < source; j++) {
				available2[j] = available[j];
				max2[i][j] = max[i][j];
				allocation2[i][j] = allocation[i][j];
				need2[i][j] = need[i][j];
			}
		}
		for (int i = 0; i < source; i++) {
			if (available2[i]<request[i]) {
				cout << "操作系统现有状态不安全！\n";
				goto bb;
			}
		}
		for (int i = 0; i < source; i++) {
			available2[i] = available2[i] - request[i];
			allocation2[proNo][i] = allocation[proNo][i]+ request[i];
			need2[proNo][i] = need[proNo][i]- request[i];
		}
		//检查接受request请求后状态是否安全
		if (check(available2, max2, allocation2, need2) == true) {
			cout << "操作系统现有状态安全！\n" << "安全序列为：";
			while (!safeq.empty()) {
				cout << "P" << safeq.front() << " ";
				safeq.pop();
			}
		}
		else {
			cout << "操作系统现有状态不安全！\n";
			exit(0);
		}

		return 0;
	}
}

测试数据文件banker.dat：

4 4
1 5 2 0
0 0 1 2
1 7 5 0
2 3 5 6
0 6 5 6
0 0 1 2
1 0 0 0
1 3 5 4
0 0 1 4

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