操作系统课程设计任务书

操作系统课程设计任务书1.设计目的1.1模拟实现银行家算法，用银行家算法实现资源分配。

1.2了解多道程序系统中，多个进程并发执行的资源分配。

1.3掌握死锁的产生的原因、产生死锁的必要条件和处理死锁的基本方法。

1.4掌握预防死锁的方法，系统安全状态的基本概念。

1.5掌握银行家算法，了解资源在进程并发执行中的资源分配策略。

1.6理解死锁避免在当前计算机系统不常使用的原因。

2. 问题描述在死锁的避免中，银行家算法把系统状态分为安全状态和不安全状态，只要能使系统始终处于安全状态，便可以避免发生死锁。

所谓安全状态，是指系统能按某种顺序为每个进程分配所需资源，直到最大需求，使每一个进程都可以顺利完成，即可找到一个安全资源分配序列。

模拟实现这个工作过程。

3. 设计思路我们可以把操作系统看作是银行家，操作系统管理的资源相当于银行家管理的资金，进程向操作系统请求分配资源相当于用户向银行家贷款。

操作系统按照银行家制定的规则为进程分配资源，当进程首次申请资源时，要测试该进程对资源的最大需求量，如果系统现存的资源可以满足它的最大需求量则按当前的申请量分配资源，否则就推迟分配。

当进程在执行中继续申请资源时，先测试该进程已占用的资源数与本次申请的资源数之和是否超过了该进程对资源的最大需求量。

若超过则拒绝分配资源，若没有超过则再测试系统现存的资源能否满足该进程尚需的最大资源量，若能满足则按当前的申请量分配资源，否则也要推迟分配。

4.详细设计4.1银行家算法4.1.1在避免死锁的方法中，所施加的限制条件较弱，有可能获得令人满意的系统性能。

在该方法中把系统的状态分为安全状态和不安全状态，只要能使系统始终都处于安全状态，便可以避免发生死锁。

银行家算法的基本思想是分配资源之前,判断系统是否是安全的;若是,才分配。

4.1.2设进程m提出请求REQUEST [m]，则银行家算法按如下规则进行判断。

4.1.2.1如果REQUEST [m] [n]<= NEED[m][n]，则转(2)；否则，出错。

4.1.2.2如果REQUEST [m] [n]<= AVAILABLE[m][n]，则转(3)；否则，出错。

4.1.2.3系统试探分配资源，修改相关数据：AVAILABLE[n]-=REQUEST[m][n];ALLOCATION[cusneed][i]+=REQUEST[cusneed][i];NEED[cusneed][i]-=REQUEST[cusneed][i];4.1.2.4系统执行安全性检查，如安全，则分配成立；否则试探险性分配作废，系统恢复原状，进程等待。

4.1.2.5对于某一进程m，若对所有的n，有NEED[m][n]=0，则表此进程资源分配完毕，应将占用资源释放。

4.2关于死锁的一些结论：4.2.1参与死锁的进程最少是两个（两个以上进程才会出现死锁）4.2.2参与死锁的进程至少有两个已经占有资源4.2.3参与死锁的所有进程都在等待资源4.2.4参与死锁的进程是当前系统中所有进程的子集4.2.5注：如果死锁发生，会浪费大量系统资源，甚至导致系统崩溃。

4.3资源分类：4.3.1永久性资源:可以被多个进程多次使用（可再用资源）4.3.1.1可抢占资源4.3.1.2不可抢占资源4.3.2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4.4产生死锁的四个必要条件：4.4.1、互斥使用（资源独占）一个资源每次只能给一个进程使用4.4.2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4.4.3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）4.4.4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4.5死锁的解决方案4.5.1 产生死锁的例子申请不同类型资源产生死锁P1：…申请打印机申请扫描仪使用释放打印机释放扫描仪…P2：…申请扫描仪申请打印机使用释放打印机释放扫描仪…申请同类资源产生死锁（如存）设有资源R，R有m个分配单位，由n个进程P1,P2,…,Pn（n > m）共享。

假设每个进程对R的申请和释放符合下列原则：* 一次只能申请一个单位* 满足总申请后才能使用* 使用完后一次性释放m=2，n=3资源分配不当导致死锁产生4.5.2死锁避免:定义:：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一4.5.2.1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4.5.2.2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4.5.2.3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。

4.6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(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，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。

5、数据结构设5.1、定义全局变量#define M，N； //定义常量，便于修改int Available[N]; //各种资源可利用的数量int Allocation[M][N]; //各进程当前已分配的资源数量int Max[M][N]; //各进程对各类资源的最大需求数int Need[M][N]; //还需求矩阵int Request[M]; //申请各类资源的数量int Work[M]; //工作向量，表示系统可提供给进程运行所需各类资源数量int Finish[N]; //表示系统是否有足够的资源分配给进程，0为否，1为是int p[N]; //存储安全序列int i,j; //全局变量，主要用于循环语句中int n,m; //n为进程的数量,m为资源种类数5.2安全性检查算法5.2.1设置两个工作向量Work=AVAILABLE;FINISH5.2.2从进程集合中找到一个满足下述条件的进程，FINISH==false;NEED<=Work;如找到，执行(3)；否则，执行(4)5.1.3设进程获得资源，可顺利执行，直至完成，从而释放资源。

Work+=ALLOCATION;Finish=true;GOTO 25.1.4如所有的进程Finish= true，则表示安全；否则系统不安全。

6、流程图（如图1）图1:流程图7.运行界面图开始界面图（如图2）图2开始界面图输入数据后图a（如图3）图3输入数据后图a输入数据后图b（如图4）图4输入数据后图4申请资源错误图（如图5）图5申请资源错误图资源申请正确图（如图6）图6资源申请正确图8、心得与体会：“银行家算法的模拟实现”是本学期操作系统课程唯一的课程设计。

在设计此程序的过程中，我遇到过许多问题，也学到了很多东西。

本程序的设计实现主要是用C语言实现，通过对程序算法的设计优化、输出显示的格式设计、输入过程中的异常处理等一些设计过程中的问题的考虑解决，在C学习上也有了很大的进步。

程序设计过程中开始遇到的最大的问题是算法的结构设计问题，课本上只给了设计要求及简单的算法，要真正实现还需要考虑很多方面。

在算法的数据结构设计上考虑了很长时间。

在程序设计中先后参考了很多网络资料，也参考了一些别人写的的程序，综合这些算法思想和自己的思路对程序做了很好的设计方式，对一些算法的优越性等也作了一些考虑在课程设计过程中遇到了许多问题，也向同宿舍的同学做了一些请教一起讨论，积极解决遇到的问题。

在本次实验中我们使用了liunx变成环境，让我们更加系统深入的了解了liunx，gcc 编程思路和思想，同时让我更加深刻的了解银行家算法,了解死锁的避免和预防，对操作系统对资源的申请和释放有了更加深刻的理解，同时在编程过程中积极的向老师同学请教问题与他们一起探讨在系统中存在的问题和漏洞。

经过本次课程设计，我对liunx的操作能力和解决问题的实际能力有了很大的提高，同时对团队协作能力有了更加深刻的理解。

如果还有类似的课程设计我一定会好好对待。

9.参考文献[1]、汤子嬴编：《计算机操作系统》，电子科技大学[2]、尧学、史美林编：《计算机操作系统教程》，清华大学[3]、任爱华、王雷编：《操作系统实用教程》，清华大学[4]、莉、董渊、何江丹编《C++语言程序设计》，清华大学附录#include <STRING.H>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <CONIO.H> /*用到了getch()*/#define M 50 /*进程数*/#define N 30/*资源数*/#define FALSE 0#define TRUE 1/*M个进程对N类资源最大资源需求量*/int MAX[M][N];/*系统可用资源数*/int AVAILABLE[N];/*M个进程已经得到N类资源的资源量 */int ALLOCATION[M][N];/*M个进程还需要N类资源的资源量*/int NEED[M][N];int Request[N];int m,n;/*输入M个进程对N类资源最大资源需求量*/void scanfmax(int a,int b){int i,j;for(i=0;i<a;i++){for(j=0;j<b;j++){scanf("%d",&MAX[i][j]);}printf("\n");}}void scanfavailable(int b){int i;for(i=0;i<b;i++){scanf("%d",&AVAILABLE[i]);}}void main(){int i=0,j=0;char flag;void scanfavailable(int n);void scanfmax(int m,int n);void showdata();void changdata(int);void rstordata(int);int chkerr(int);printf("请输入进程数m和资源数n,m,n "); scanf("%d%d",&m,&n);scanfmax(m,n);for(i=0;i<m;i++)for(j=0;j<n;j++)printf("max[%d][%d]=%d",i,j,MAX[i][j]);scanf("%d",&i);printf("请输入系统可用资源数："); scanfavailable(n);// printf("####1");for(i=0;i<m;i++)for(j=0;j<n;j++)ALLOCATION[i][j]=0;// printf("######2");for(i=0;i<m;i++)for(j=0;j<n;j++)NEED[i][j]=MAX[i][j];/* printf("######3");/*for(i=0;i<m;i++){for(j=0;j<n;j++)printf("need[%d][%d]=%d\n",i,j,NEED[i][j]); }printf("\n");*///printf("#######4"); */showdata();enter:{printf("请输入需申请资源的进程号（从0到");printf("%d",m-1);printf("）:");scanf("%d",&i);}if(i<0||i>=m){printf("输入的进程号不存在，重新输入!\n");goto enter;}err:{printf("请输入进程");printf("%d",i);printf("申请的资源数\n");printf("类别: A B C\n");printf(" ");for (j=0;j<n;j++){scanf("%d",&Request[j]);}for (j=0;j<n;j++){if(Request[j]>NEED[i][j]){printf("\nj=%d Request=%d\n",j,Request[j]);printf("i=%d j=%d Need=%d\n",i,j,NEED[i][j]);printf("%d",i);printf("号进程");printf("申请的资源数 > 进程");printf("%d",i);printf("还需要");printf("%d",j);printf("类资源的资源量!申请不合理，出错!请重新选择!\n"); goto err;}elseif(Request[j]>AVAILABLE[j]){printf("进程");printf("%d",i);printf("申请的资源数大于系统可用");printf("%d",j);printf("类资源的资源量!申请不合理，出错!请重新选择!\n"); goto err;}}}}changdata(i);if(chkerr(i)){rstordata(i);showdata();}elseshowdata();printf("\n");printf("按'y'或'Y'键继续,否则退出\n");flag=getch();if (flag=='y'||flag=='Y'){goto enter;}else{exit(0);}}/*显示数组*/void showdata(){int i,j;printf("系统可用资源向量:\n");printf("***Available***\n");printf("资源类别: A B C\n");printf("资源数目:");for (j=0;j<n;j++){printf("%d ",AVAILABLE[j]);printf("\n");printf("\n");printf("各进程还需要的资源量:\n");printf("******Need******\n");printf("资源类别: A B C\n");for (i=0;i<m;i++){printf(" ");printf("%d",i);printf("号进程:");for (j=0;j<n;j++){printf(" %d ",NEED[i][j]);}printf("\n");}printf("\n");printf("各进程已经得到的资源量: \n");printf("***Allocation***\n");printf("资源类别: A B C\n");for (i=0;i<m;i++){printf(" ");printf("%d",i);printf("号进程:");/*printf(":\n");*/for (j=0;j<n;j++){printf(" %d ",ALLOCATION[i][j]);}printf("\n");}printf("\n");}/*系统对进程请求响应，资源向量改变*/void changdata(int k){int j;for (j=0;j<n;j++){AVAILABLE[j]=AVAILABLE[j]-Request[j]; ALLOCATION[k][j]=ALLOCATION[k][j]+Request[j]; NEED[k][j]=NEED[k][j]-Request[j];}/*资源向量改变*/void rstordata(int k){int j;for (j=0;j<n;j++){AVAILABLE[j]=AVAILABLE[j]+Request[j]; ALLOCATION[k][j]=ALLOCATION[k][j]-Request[j]; NEED[k][j]=NEED[k][j]+Request[j];}}/*安全性检查函数*/int chkerr(int s){int WORK,FINISH[M],temp[M];int i,j,k=0;for(i=0;i<m;i++)FINISH[i]=FALSE;for(j=0;j<n;j++){WORK=AVAILABLE[j];i=s;while(i<m){if (FINISH[i]==FALSE&&NEED[i][j]<=WORK){WORK=WORK+ALLOCATION[i][j];FINISH[i]=TRUE;temp[k]=i;k++;i=0;}else{i++;}}for(i=0;i<m;i++)if(FINISH[i]==FALSE){printf("\n");printf("系统不安全! 本次资源申请不成功!\n"); printf("\n");return 1;}}printf("\n");printf("经安全性检查，系统安全，本次分配成功。