面试题：并发与同步：死锁避免策略之银行家算法基础

Question

请阐述银行家算法的基本原理，在一个有5个进程、3种资源的系统中，假设当前资源分配情况和每个进程的最大需求已知，如何使用银行家算法判断系统是否处于安全状态，并给出具体步骤。

Answer 1

银行家算法基本原理

银行家算法是一种资源分配与死锁预防算法，其原理基于资源分配的安全性检查。将系统资源比作银行家的资金，进程请求资源类似客户贷款。银行家在满足客户贷款请求前，会先检查这笔贷款是否能使系统仍处于安全状态（即能找到一个安全序列，使所有进程都能顺利完成），若能则分配，否则拒绝。

在给定系统中判断安全状态的具体步骤

1. 数据结构初始化：
   • 假设有5个进程P0，P1，P2，P3，P4，3种资源R0，R1，R2。
   • 定义以下数据结构：
     • Available：长度为3的数组，表示当前每种资源的可用数量。
     • Max：5×3的二维数组，表示每个进程对每种资源的最大需求。
     • Allocation：5×3的二维数组，表示当前每个进程已分配到的每种资源数量。
     • Need：5×3的二维数组，Need[i][j]=Max[i][j] - Allocation[i][j]，表示每个进程还需要的每种资源数量。
2. 标记进程：
   • 定义一个长度为5的布尔数组Finish，初始值都为false，表示每个进程是否已完成。
   • 找到一个Finish[i]为false且Need[i][j] <= Available[j]（对所有j = 0, 1, 2）的进程Pi。
3. 资源分配与更新：
   • 如果找到这样的进程Pi，则假设将资源分配给它，即Available[j]=Available[j]+Allocation[i][j]（对所有j = 0, 1, 2），并将Finish[i]设为true。
   • 重复步骤2，继续寻找下一个满足条件的进程。
4. 判断安全状态：
   • 如果所有进程的Finish值最终都能变为true，则系统处于安全状态，存在一个安全序列；否则，系统处于不安全状态。例如，可能存在某个进程一直无法满足其资源需求（即找不到满足Need[i][j] <= Available[j]条件的进程），此时系统不安全。