c/c++多线程模拟系统资源分配(并通过银行家算法避免死锁产生)

 

银行家算法数据结构 
（1）可利用资源向量Available 
是个含有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。如果Available[j]=K，则表示系统中现有Rj类资源K个。 

（2）最大需求矩阵Max 
这是一个n×m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，则表示进程i需要Rj类资源的最大数目为K。 

（3）分配矩阵Allocation 
这也是一个n×m的矩阵，它定义了系统中每一类资源当前已分配给每一进程的资源数。如果Allocation[i,j]=K，则表示进程i当前已分得Rj类资源的 数目为K。 
（4）需求矩阵Need。 
这也是一个n×m的矩阵，用以表示每一个进程尚需的各类资源数。如果Need[i,j]=K，则表示进程i还需要Rj类资源K个，方能完成其任务。 
Need[i,j]=Max[i,j]-Allocation[i,j]

银行家算法 
　　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。它是最具有代表性的避免死锁的算法。 
设进程cusneed提出请求REQUEST [i]，则银行家算法按如下规则进行判断。

 (1)如果REQUEST [cusneed] [i]<= NEED[cusneed][i]，则转（2)；否则，出错。

 (2)如果REQUEST [cusneed] [i]<= AVAILABLE[i]，则转（3)；否则，等待。 

 (3)系统试探分配资源，修改相关数据： 

　　　　AVAILABLE[i]-=REQUEST[cusneed][i]; 
　　　　ALLOCATION[cusneed][i]+=REQUEST[cusneed][i]; 

　　　　NEED[cusneed][i]-=REQUEST[cusneed][i]; 
(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。 安全性检查算法 
　　1)设置两个工作向量Work=AVAILABLE;FINISH 

　　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) 
　　3)设进程获得资源，可顺利执行，直至完成，从而释放资源。 Work=Work+ALLOCATION; Finish=true; GOTO 2)
　　4)如所有的进程Finish= true，则表示安全；否则系统不安全。

#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<vector>
#include<ctime>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<cstdlib>
#define RESTYPE  100  //资源的种类数 
#define NTHREAD  50      //线程的数目 
using namespace std;pthread_mutex_t mutex;//互斥信号量
pthread_cond_t cond;//条件变量 class BankerAlgorithm {//银行家算法 public:int nthread;//线程数int restThread;//剩余正在执行的线程数目 int nres;//资源数 int vis[NTHREAD];//标示这个进程有没有访问过 int threadFinished[NTHREAD];//标示这个线程是否已经结束 vector<int> resMax[NTHREAD];//每个线程对各类资源的最大的需求量vector<int> resAllocation[NTHREAD];//每个线程当前应经分配到各类资源的情况vector<int> resNeed[NTHREAD];//每个线程还需要每类资源的情况 vector<int> resAvailable;//各类资源的剩余可以利用的 private:void toNeed(){for(int i=0; i<nthread; ++i)for(int j=0; j<nres; ++j)resNeed[i].push_back(resMax[i][j]), resAllocation[i].push_back(0);} bool threadAafetyDetection(int idThread){//线程安全检测 vector<int> tmpResAvailable(resAvailable);vector<int> threadSafeSequence;//线程安全序列 int cntThread = 0;memset(vis, 0, sizeof(vis));while(threadSafeSequence.size() < restThread){bool findRunThread = false;for(int i=0; i<nthread; ++i)if(!vis[i] && !threadFinished[i]){int j;for(j=0; j<nres; ++j)if(resNeed[i][j] > tmpResAvailable[j]) break;if(j >= nres){//各类所需要的资源的数目 小于或等于各类剩余资源的数目 //该进程可以成功的运行完毕findRunThread = true;vis[i] = 1;threadSafeSequence.push_back(i);for(j=0; j<nres; ++j) tmpResAvailable[j] +=  resAllocation[i][j];}}if(!findRunThread) break;//找不到下一个可以运行的线程，则退出 
            }if(threadSafeSequence.size() == restThread){cout<<"此时系统处于安全状态，存在线程安全序列如下:"<<endl;for(int i=0; i<threadSafeSequence.size(); ++i) cout<<threadSafeSequence[i]<<" ";cout<<endl;return true;} else {cout<<"此时系统处于不安全状态!!!资源无法分配!!!进程"<<idThread<<"将被阻塞!!!"<<endl;//等到下一次resAvailable更新的时候再将该进程唤醒 return false;}}public:BankerAlgorithm(){}void init(){memset(threadFinished, 0, sizeof(threadFinished));//初始化线程的数目， 资源种类的数目以及每种资源的数目cout<<"请输入线程的数目和资源的种类数目:"<<endl;cin>>nthread>>nres;restThread = nthread; cout<<"请输入每种资源的数目:" <<endl;for(int i=0; i<nres; ++i){int k;cin>>k;resAvailable.push_back(k);}cout<<"请输入每个线程对某类资源最大的需求:"<<endl;for(int i=0; i<nthread; ++i){cout<<"线程"<<i<<"需要的资源:"<<endl; for(int j=0; j<nres; ++j){int k;cin>>k;resMax[i].push_back(k);}}toNeed(); }void returnRes(int idThread){for(int i=0; i<nres; ++i)resAvailable[i] += resAllocation[idThread][i], resAllocation[idThread][i]=0;}int bankerAlgorithm(int idThread, vector<int>res){//进程idThread对资源idRes的请求数量为kfor(int i=0; i<res.size(); ++i){int idRes=i, k = res[i];if(k <= resNeed[idThread][idRes]){if(k > resAvailable[idRes]){//让进程阻塞cout<<"ERROR!!!线程"<<idThread<<"请求"<<idRes<<"类资源数目大于该类剩余资源的数目!"<<endl<<endl; return 1;}} else {//让进程重新请求资源 cout<<"ERROR!!!线程"<<idThread<<"请求"<<idRes<<"类资源数目大于所需要的该类资源的数目!"<<endl<<endl; return 2;}}for(int i=0; i<res.size(); ++i){int idRes=i, k = res[i];resAvailable[idRes] -= k;resAllocation[idThread][idRes] += k;resNeed[idThread][idRes] -= k;}//安全性算法的检测if(!threadAafetyDetection(idThread)){//不能分配资源， 要将idThread这个线程阻塞 for(int i=0; i<res.size(); ++i){int idRes=i, k = res[i];resAvailable[idRes] += k;resAllocation[idThread][idRes] -= k;resNeed[idThread][idRes] += k;}return 3; }    cout<<"线程"<<idThread<<"获得资源:";for(int i=0; i<res.size(); ++i)cout<<" "<<i<<"类:"<<res[i];cout<<endl<<endl;return 0;}
};BankerAlgorithm ba;void *thread_hjzgg(void *arg){long long idThread = (long long)arg;//得到线程的标号srand((int)time(0));//开始进行线程资源的请求vector<int> res;for(int i=0; i<ba.nres; ++i){int k = ba.resNeed[idThread][i] == 0 ? 0 : rand() % ba.resNeed[idThread][i]+1;//线程对资源i申请的数目 
        res.push_back(k);}while(1){if(pthread_mutex_lock(&mutex)!=0){cout<<"线程"<<idThread<<"加锁失败!!!"<<endl;pthread_exit(NULL);}bool isAllocationFinished = true;//该线程是否已经将资源请求完毕 for(int i=0; i<ba.nres; ++i) if(ba.resNeed[idThread][i] != 0){isAllocationFinished = false;break;}if(isAllocationFinished){cout<<"线程"<<idThread<<"资源分配完毕!!!进程得到想要的全部资源后开始继续执行!"<<endl; cout<<"................"<<endl;sleep(1);cout<<"线程"<<idThread<<"执行完毕!!!"<<endl<<endl;--ba.restThread;ba.threadFinished[idThread] = 1;//线程结束 
            ba.returnRes(idThread);pthread_cond_broadcast(&cond);pthread_mutex_unlock(&mutex);pthread_exit(NULL);}switch(ba.bankerAlgorithm(idThread, res)){case 3://系统会进入不安全状态，不能进行资源的分配，先进行阻塞 case 1://进程阻塞 pthread_cond_wait(&cond, &mutex);break;case 2://重新分配资源 case 0://资源分配成功, 接着在申请新的资源 
                res.clear();for(int i=0; i<ba.nres; ++i){int k = ba.resNeed[idThread][i] == 0 ? 0 : rand() % ba.resNeed[idThread][i]+1;//线程对资源i申请的数目 
                    res.push_back(k);}break;default:break;}sleep(1);pthread_mutex_unlock(&mutex);}
} int main(){pthread_t tid[NTHREAD];pthread_mutex_init(&mutex, NULL);pthread_cond_init(&cond, NULL);ba.init();for(int i=0; i<ba.nthread; ++i)pthread_create(&tid[i], NULL, thread_hjzgg, (void*)i);for(int i=0; i<ba.nthread; ++i)pthread_join(tid[i], NULL);return 0;
} 
/*
5 3
10 8 6
2 1 3
6 1 1
3 2 2
6 2 1
2 1 1此时系统处于安全状态，存在线程安全序列如下:
0 1 2 3 4
线程0获得资源: 0类:2 1类:1 2类:3此时系统处于安全状态，存在线程安全序列如下:
0 1 2 3 4
线程1获得资源: 0类:6 1类:1 2类:1ERROR!!!线程2请求0类资源数目大于该类剩余资源的数目!此时系统处于安全状态，存在线程安全序列如下:
0 1 2 3 4
线程4获得资源: 0类:2 1类:1 2类:1ERROR!!!线程3请求0类资源数目大于该类剩余资源的数目!线程0资源分配完毕!!!进程得到想要的全部资源后开始继续执行!
................
线程0执行完毕!!!线程1资源分配完毕!!!进程得到想要的全部资源后开始继续执行!
................
线程1执行完毕!!!线程4资源分配完毕!!!进程得到想要的全部资源后开始继续执行!
................
线程4执行完毕!!!此时系统处于安全状态，存在线程安全序列如下:
2 3
线程3获得资源: 0类:6 1类:2 2类:1此时系统处于安全状态，存在线程安全序列如下:
2 3
线程2获得资源: 0类:3 1类:2 2类:2线程3资源分配完毕!!!进程得到想要的全部资源后开始继续执行!
................
线程3执行完毕!!!线程2资源分配完毕!!!进程得到想要的全部资源后开始继续执行!
................
线程2执行完毕!!!*/