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銀行家算法（Banker’s Algorithm）是計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中一種避免死鎖發(fā)生的著名算法。該算法由艾茲格·迪杰斯特拉（Edsger Dijkstra）在1965年為T.H.E系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其核心理念基于銀行借貸系統(tǒng)的分配策略，以確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。以下是對銀行家算法的詳細(xì)介紹：
一、算法背景與原理
在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，多個(gè)進(jìn)程可能會(huì)競爭有限的資源，如內(nèi)存、處理器時(shí)間、I/O設(shè)備等。如果資源分配不當(dāng)，就可能導(dǎo)致死鎖現(xiàn)象的發(fā)生，即兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程無限期地阻塞，每個(gè)進(jìn)程都在等待另一個(gè)進(jìn)程釋放它所需要的資源。為了避免這種情況，銀行家算法被設(shè)計(jì)出來，以動(dòng)態(tài)地分配資源并確保系統(tǒng)始終處于安全狀態(tài)。
銀行家算法的原理是模擬銀行系統(tǒng)中資金的分配和回收過程。在這個(gè)模型中，操作系統(tǒng)被視為銀行家，管理的資源相當(dāng)于銀行家管理的資金，而進(jìn)程向操作系統(tǒng)請求分配資源則相當(dāng)于用戶向銀行家貸款。銀行家需要確保在分配資金（資源）后，系統(tǒng)仍然能夠保持在一個(gè)安全的狀態(tài)，即所有進(jìn)程都能在未來某個(gè)時(shí)間點(diǎn)順利完成并釋放所占用的資源。
二、關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
銀行家算法通過以下關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)資源分配和管理：
- 可利用資源向量（Available）：表示系統(tǒng)中各類資源的剩余數(shù)量。
- 最大需求矩陣（Max）：表示每個(gè)進(jìn)程對各類資源的最大需求數(shù)量。
- 分配矩陣（Allocation）：表示已經(jīng)分配給每個(gè)進(jìn)程的各類資源數(shù)量。
- 需求矩陣（Need）：表示每個(gè)進(jìn)程還需要的各類資源數(shù)量，計(jì)算公式為Need = Max - Allocation。
三、算法步驟
銀行家算法的主要步驟包括：
- 初始化：設(shè)置可利用資源向量Available、最大需求矩陣Max、分配矩陣Allocation和需求矩陣Need的初始值。
- 請求資源：當(dāng)進(jìn)程提出資源請求時(shí)，首先判斷請求是否合法。合法條件是請求的資源數(shù)量小于等于進(jìn)程的需求數(shù)量（Need矩陣中的值），且小于等于系統(tǒng)的可利用資源數(shù)量（Available向量中的值）。
- 嘗試分配資源：若請求合法，則嘗試分配資源。將請求的資源數(shù)量從可利用資源向量Available中減去，并將分配矩陣Allocation相應(yīng)元素加上請求的資源數(shù)量。
- 安全性檢查：在嘗試分配資源后，進(jìn)行安全性檢查以判斷系統(tǒng)是否仍處于安全狀態(tài)。安全性檢查通過模擬資源分配過程來查找是否存在一個(gè)安全序列，即一個(gè)能夠使得所有進(jìn)程都能順利完成并釋放所占用的資源的進(jìn)程執(zhí)行順序。
- 資源分配成功或撤銷：如果系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，則資源分配成功；否則，撤銷分配，恢復(fù)系統(tǒng)狀態(tài)，并拒絕資源請求。
四、安全性檢查算法
安全性檢查算法是銀行家算法的核心部分，其步驟如下：
- 設(shè)置兩個(gè)工作向量：工作向量Work表示系統(tǒng)可提供給進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行所需的各類資源數(shù)量，初始值為Available；完成向量Finish表示系統(tǒng)是否有足夠資源分配給進(jìn)程使其運(yùn)行完成，初始值為false。
- 從進(jìn)程集合中尋找滿足條件的進(jìn)程：滿足條件的進(jìn)程是指Finish[i] == false且Need[i] <= Work。
- 若找到這樣的進(jìn)程，將其資源分配給它（即更新Work和Finish向量），并標(biāo)記該進(jìn)程為已完成。
- 重復(fù)步驟2和3，直到所有進(jìn)程都被滿足或找不到可滿足的進(jìn)程。
- 若所有進(jìn)程的Finish[i]都為true，則系統(tǒng)處于安全狀態(tài)；否則，系統(tǒng)處于不安全狀態(tài)。
五、應(yīng)用與優(yōu)缺點(diǎn)
銀行家算法在操作系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，特別是在需要?jiǎng)討B(tài)分配資源的場景中。其優(yōu)點(diǎn)包括能夠有效地避免死鎖的發(fā)生，并通過安全性檢查機(jī)制確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。然而，該算法也存在一些缺點(diǎn)，如算法復(fù)雜度較高，需要維護(hù)多個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和進(jìn)行頻繁的安全性檢查等。