面试题：并发与同步：银行家算法的基本原理及应用场景

Question

请阐述银行家算法在操作系统死锁避免中的基本原理，并举例说明其适用的应用场景。

Answer 1

银行家算法基本原理

1. 资源分配状态表示：
   • 用一个数据结构记录系统中各类资源的总量（可用资源向量Available）、每个进程对各类资源的最大需求（最大需求矩阵Max）、每个进程当前已分配到的各类资源数量（分配矩阵Allocation）以及每个进程还需要的各类资源数量（需求矩阵Need），即Need = Max - Allocation。
2. 资源请求处理：
   • 当一个进程提出资源请求时，系统首先检查该请求是否超过它声明的最大需求（即请求向量Request是否超过Need），如果超过则认为出错，因为进程的需求不应超过它最初声明的最大值。
   • 然后检查系统当前是否有足够的资源满足该请求（即Request是否超过Available），如果没有则进程等待。
   • 如果以上两个条件都满足，系统尝试进行资源分配，即Available = Available - Request，Allocation = Allocation + Request，Need = Need - Request。
   • 接着系统执行安全性检查，通过尝试找到一个安全序列（即所有进程都能在有限时间内获得所需资源并运行结束的序列）来判断此次资源分配是否会导致系统进入不安全状态。如果能找到安全序列，则实际分配资源，进程可以继续执行；如果找不到安全序列，则撤销刚才的分配，让进程等待。

适用的应用场景举例

1. 多进程并发的数据库管理系统：
   • 在数据库管理系统中，多个进程可能同时请求不同类型的资源，如内存空间用于缓存数据、CPU时间用于数据处理、磁盘I/O通道用于读写数据等。
   • 例如，有三个进程P1、P2、P3，分别需要处理不同的数据库事务。P1可能需要大量内存来缓存事务涉及的数据，P2可能需要频繁的CPU时间来进行复杂的事务逻辑计算，P3可能需要较多的磁盘I/O通道来读写大文件。
   • 银行家算法可以在这些进程请求资源时，通过检查资源分配状态，避免因资源分配不当导致死锁。比如P1请求额外的内存时，系统按照银行家算法检查是否会使系统进入不安全状态，若不会则分配，若会则让P1等待，从而保证数据库管理系统的稳定运行。
2. 大型网络服务器中的资源管理：
   • 网络服务器可能同时处理多种服务请求，如HTTP服务、FTP服务、邮件服务等，每个服务进程需要不同的资源，如网络带宽、服务器内存、CPU核心等。
   • 例如，当一个新的HTTP请求到达，对应的进程可能需要一定的网络带宽来传输网页数据，还需要一些内存来处理请求和生成响应。银行家算法可以根据当前服务器各类资源的可用情况、各个进程的资源需求等信息，判断是否可以安全地为该HTTP请求进程分配所需资源，防止因资源分配不合理导致服务器死锁，确保网络服务的正常运行。