操作系统课程设计-尹朝辉.doc

操作系统课程设计 尹朝辉 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途辽 宁 科 技 大 学课程设计说明书设计题目： 银行家算法 学院、系： 电信学院 专业班级: 计20112 学生姓名： 尹朝辉 指导教师： 柴玉梅 成 绩： 2014 年 03 月 06 日一、设计目的本课程设计是学习完“操作系统原理”课程后进行的一次全面的综合训练，通过课程设计，更好地掌握操作系统的原理及实现方法,加深对操作系统基础理论和重要算法的理解，加强学生的动手能力.二、设计内容1)概述用C或C+语言编制银行家算法通用程序，并检测所给状态的系统安全性。1. 算法介绍:数据结构:1） 可利用资源向量 Available;2） 最大需求矩阵Max;3） 分配矩阵Allocation；4） 需求矩阵Need2. 功能介绍模拟实现Dijkstra的银行家算法以避免死锁的出现，分两部分组成：第一部分：银行家算法（扫描）;第二部分：安全性算法。2）设计原理一银行家算法的基本概念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： 参与死锁的进程最少是两个 （两个以上进程才会出现死锁） 参与死锁的进程至少有两个已经占有资源 参与死锁的所有进程都在等待资源 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。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 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。 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(1in)，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。二银行家算法1、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Availablej=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nm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nm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nm的矩阵，用以表示每一个进程尚需的各类资源数，如果Needi，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： Needi,j=Maxi,jAllocationi,j 2、银行家算法 设Requesti是进程Pi的请求向量。如果Requestijk，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 Requestij=Needi，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Requestij=Availablej ，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: Availablej：=Availablej-Requestij； Allocationi,j:=Allocationi，j+Requestij; Needi,j：=Needi，j-Requestij; 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。 3、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 、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。 、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Finishi:=false ；当有足够资源分配给进程时,令 Finishi:=true。 2)从进程集合中找到一个能满足下述条件的进程： 、Finishi=false； 、Needi,j=Workj;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： Workj:=Worki+Allocationi,j; Finishi：=true; goto step 2； 4）如果所有进程的Finishi:=true,则表示系统处于安全状态；否则，系统处于不安全状态。3）详细设计及编码1)银行家算法流程图2)程序源代码#include include include #include string。h/定义全局变量const int x=20，y=20； /常量，便于修改int Availablex； /各资源可利用的数量int Allocationyy; /各进程当前已分配的资源数量int Maxyy； /各进程对各类资源的最大需求数int Needyy； /尚需多少资源int Requestx; /申请多少资源int Workx; /工作向量，表示系统可提供给进程继续运行所需的各类资源数量int Finishy; /表示系统是否有足够的资源分配给进程,1为是int py; /存储安全序列int i,j; /i表示进程，j表示资源int n，m； /n为进程i的数量，m为资源j种类数int l=0； /l用来记录有几个进程是Finishi=1的，当l=n是说明系统状态是安全的int counter=0; /函数声明void chushihua(）; /初始化函数void safe(）; /安全性算法void show（）; /函数show，输出当前状态void bank()； /银行家算法/void jieshu（); /结束函数void chushihua() coutn； coutm； coutendl输入各种资源当前可用的数量( ”m 种)： endl; for (j=0； jm; j+） cout”输入资源 ”j” 可利用的数量Available”jAvailablej; /输入数字的过程。. Workj=Availablej; /初始化Workj，它的初始值就是当前可用的资源数 coutendl输入各进程当前已分配的资源数量Allocationnm： endl； for (i=0； in; i+） for (j=0； jm； j+) cout” 输入进程 ”i 当前已分配的资源 ”jAllocationij; coutendl; Finishi=0；/初始化Finishi coutendl输入各进程对各类资源的最大需求Maxn”m： ”endl; for （i=0; in； i+) for (j=0； jm; j+） cout 输入进程 i 对资源 Maxij; if(Maxij=Allocationij) /若最大需求大于已分配，则计算需求量 Needij = MaxijAllocationij； else Needij=0；/Max小于已分配的时候，此类资源已足够不需再申请 coutendl； coutendl”初始化完成=Needij） counter=counter+1;/可用大于需求，记数 if（counter=m) /i进程的每类资源都符合Workj=Needij 条件二 pl=i； /存储安全序列 Finishi=1； /i进程标志为可分配 for (j=0； jm；j+) Workj=Workj+Allocationij； /释放资源 l=l+1; /记数，现在有L个进程是安全的，当L=N时说明满足安全序列 i= -1; /从第一个进程开始继续寻找满足条件一二的进程 /显示当前状态函数void show() /函数show,输出当前资源分配情况 int i,j; /局部变量 int Ally; /各种资源的总数量 cout”当前的状态为：endl； cout”各种资源的总数量:”endl； for （j=0；jm;j+） cout 资源j： ”； Allj=Availablej； /总数量=可用的+已分配的 for (i=0;in;i+) Allj+=Allocationij； coutAllj” ”； coutendl当前各种资源可用的量为(available）:”endl; for (j=0;jm；j+) cout 资源”j： ”Availablej ”; coutendl”各进程已经得到的资源量（allocation): ”endl；for （j=0;jm;j+) coutt资源j；coutendl;for（i=0；in；i+） cout进程i”:； for （j=0;jm；j+） coutt Allocationij； coutendl； coutendl”各进程还需要的资源量(need）:”endl;for （j=0；jm；j+) coutt”资源”j;coutendl；for（i=0;in;i+) cout”进程”i：; for (j=0;jm;j+） coutt ”Needij； coutendl; /银行家算法函数void bank（） coutendl进程申请分配资源：”endl; int k=0； /用于输入进程编号 bool r=false; / 初值为假,输入Y继续申请则置为真 do/输入请求 cout输入申请资源的进程（0”n-1k； coutn-1） /输入错误处理 coutendl输入错误，重新输入：”endl; coutendl”输入申请资源的进程（0-n-1”）: ; cink; coutendl; coutendl”输入该进程申请各类资源的数量: ”endl； for (j=0； jm； j+） do /dowhile 循环判断申请输入的情况 cout进程 ”k 申请资源jRequestj； coutendl; if（RequestjNeedkj） /申请大于需求量时出错，提示重新输入（贷款数目不允许超过需求数目) cout申请大于需要量!”endl； cout”申请的资源”j”的数量为Requestj”，大于 进程”k对该资源需求量Needkj.endl; coutAvailablej) /申请大于可利用量， 应该阻塞等待？ ？ cout”n没有那么多资源，目前可利用资源”j数量为Availablej”,本次申请不成功，进程等待！”Needkj); /RequestjAvailablej /改变Avilable、Allocation、Need的值 for (j=0; jm; j+) Availablej = Availablej-Requestj;Allocationkj = Allocationkj+Requestj；Needkj = Needkj-Requestj；Workj = Availablej; /判断当前状态的安全性 safe()； /调用安全性算法函数 if (ln) l=0； cout”n试分配后，状态不安全,所以不予分配！恢复原状态”endl； /恢复数据 for (j=0； jm; j+） Availablej = Availablej+Requestj；Allocationkj = AllocationkjRequestj;Needkj = Needkj+Requestj；Workj = Availablej；for （i=0; in; i+） Finishi=0; /进程置为未分配状态 elsel=0；coutn申请资源成功！!”endl；for(j=0；jm；j+）if(Needkj=0）;else /有一种资源还没全部申请到，则该进程不可执行，不能释放拥有的资源l=1; /置l为1，作为判断标志break；if(l！=1） /进程可以执行，则释放该进程的所有资源for （j=0；jm;j+)Availablej=Availablej+Allocationkj；Allocationkj=0;cout”该进程已得到所有需求资源,执行后将释放其所有拥有资源!endl; l=0； /归零cout”n安全的状态！”endl;cout安全序列为: ；coutendl进程”(p0”）”； /输出安全序列，考虑显示格式，先输出第一个Finish0=0;for （i=1; in； i+)cout=进程”(pi”);Finishi=0; /所有进程置为未分配状态 coutendlendl；show(); /显示当前状态ppp: /申请大于可利用量, 应该阻塞等待,结束本次资源申请，GOTO 语句跳转至此coutendl”是否继续申请资源(y/n) ？;char b=new char； /输入y/n，判断是否继续申请 b；coutendl；cout”-”endlendl；coutendl;if（b=y|*b=Y) r=true;else/r=false; /输入非 Y 则令 R =false/jieshu（）； /调用结束函数/ while (r=true);/结束函数/void jieshu(）/ coutendlendl；/ cout”tt 演示计算完毕endl；/ coutendlendl；/ /主函数int main（) coutendlendltttt模拟银行家算法endlendl; chushihua()； /初始化函数调用 coutendl； show（）; /输出当前状态 safe(); /判断当前状态的安全性 if (ln) /l在safe中是用来记录安全的进程的个数的 coutn当前状态不安全，拒绝申请！endl; coutendl; return 0； else int i; /局部变量 l=0； coutendl”n当前的状态是安全的!安全序列为:”endl； cout进程”（”p0”）; /输出安全序列 for （i=1; in; i+） cout”进程”（pi)； for （i=0； in； i+） Finishi=0； /所有进程置为未分配状态 coutendl; bank(）； /调用银行家算法函数 cout”tt 演示计算完毕endl; return 0；4）运行结果分析1示例数据进程数量：5资源种类3 资源情况进程MaxAllocationNeedAvailableA B CA B CA B CA B CP07 5 30 1 07 4 33 3 2(2 3 0）P13 2 22 0 0（3 0 2)1 2 2(0 2 0)P29 0 23 0 26 0 0P32 2 22 1 10 1 1P44 3 30 0 24 3 12。测试结果（以上表中数据为列）截图如下：5)设计小结这次我做的课题是“银行家算法的模拟实现”，通过这次的课程设计,我不仅拓宽了自己的知识面，还在实践过程中巩固和加深了自己所学的理论知识，使自己的技术素质和实践能力有了进一步的提高，同时我的专业水平也有了很大的进步。 同时，在软件开发方面也累积了不少经验,对操作系统的知识重要性的认识更深了。通过设计过程的锻炼，自己分析问题和解决问题的能力都得到了锻炼和提高,完善了自己的知识结构,加深了对所学知识的理解。 通过几天努力，这次课程设计圆满的结束了，在这个过程中,我学到了很多的知识，在以后的学习中,我会更加努力的学好专业知识，并将所学知识用于实践当中去，以便牢固掌握知识.6)参考文献1计算机操作系统(第3版)，汤小丹,西安电子科技大学出版社，2007年7月2Visual C+面向对象编程教程（第二版）,王育坚，清华大学出版社，2007年10月）17