C#实现银行家算法

什么是银行家算法

银行家算法是一个预防死锁的算法，它的实现需要保证资源分配的安全性。在操作系统中，一个进程需要申请资源时，银行家算法首先判断申请该资源是否安全，安全则进行资源分配，否则该进程进入等待状态，直到资源可用。

银行家算法实现步骤

银行家算法需要进行以下操作：

1. 初始化：对于每个进程，需要记录当前它所需要的每一类资源数，以及当前可用的每一类资源数。
2. 资源的申请：进程可以请求资源。如果没有足够的资源，则该进程必须等待，直到其他进程释放资源。
3. 资源的分配：如果系统有足够的资源可分配给进程，则允许进程占用这些资源；否则，进程必须等待，直到资源可用。
4. 安全性检查：银行家算法检查系统是否处于一个安全状态。如果是，则允许进程继续使用资源；否则，进程必须等待，直到资源可用。

C#实现银行家算法

代码实现

我们先定义一个Banker类来实现银行家算法。Banker中需要记录当前可用的每一类资源数，以及每个进程还需要的每一类资源数。

public class Banker {
    // 需要判断安全性的进程数
    public int ProcessCount { get; }
    // 银行家拥有的资源数
    public int[] Available { get; }
    // 进程所需的资源数
    private int[,] Max { get; }
    // 进程已经得到的资源数
    private int[,] Allocation { get; }
    // 进程请求的资源数
    private int[,] Request { get; }
    // 进程是否处于安全状态
    public bool[] IsSafe { get; }

    public Banker(int[] available, int[,] max, int[,] allocation, int[,] request) {
        ProcessCount = max.GetLength(0);
        Available = available;
        Max = max;
        Allocation = allocation;
        Request = request;
        IsSafe = new bool[ProcessCount];
    }
}

接下来，我们实现银行家算法核心方法，分配资源的安全性检查。

private bool CheckSafe(int processIndex, int[] work) {
    int[] finish = new int[ProcessCount];
    int[] need = new int[ProcessCount];
    int[] allocation = new int[ProcessCount];
    for (int i = 0; i < ProcessCount; i++) {
        need[i] = Max[i, processIndex] - Allocation[i, processIndex];
        allocation[i] = Allocation[i, processIndex];
        finish[i] = 0;
    }
    work = Available.Subtract(allocation);
    int count = 0;
    while (count < ProcessCount) {
        bool found = false;
        for (int i = 0; i < ProcessCount; i++) {
            if (finish[i] == 0 && need[i].LessEqualThan(work)) {
                work = work.Add(allocation[i]);
                finish[i] = 1;
                found = true;
                count++;
            }
        }
        if (!found) {
            break;
        }
    }
    return count == ProcessCount;
}

我们在CheckSafe方法中，先对资源状态进行了初始化，然后进行安全性检查。安全性检查第一步，我们需要找到所有满足以下条件的进程：

• 进程当前状态没有修改过，即没有被分配、释放过资源；
• 所需要的资源数小于等于系统当前未被分配的资源数。

我们在循环中查找满足条件的进程并将其加入安全序列（finish数组），直到所有进程都已经加入安全序列，或者已经没有进程满足条件。

接下来，我们根据安全序列的数量，判断当前状态是否是一个安全的状态。

接着，我们实现银行家算法的资源分配方法：RequestResource。

public bool RequestResource(int processIndex, int[] request) {
    if (request.GreaterThan(Request.GetRow(processIndex))) {
        return false;
    }
    if (request.GreaterThan(Available)) {
        return false;
    }
    if (!CheckSafe(processIndex, Available.Subtract(request))) {
        return false;
    }
    Available = Available.Subtract(request);
    Allocation = Allocation.Add(request, processIndex);
    Request = Request.Subtract(request, processIndex);
    return true;
}

在RequestResource方法中，我们先检查进程请求的资源是否超过了该进程所需的资源量，以及是否超过了系统当前未被分配的资源量。如果符合要求，我们会进行资源安全性检查。如果安全，则将资源分配给该进程，否则返回错误。

最后，我们写一个测试用例来验证银行家算法实现的正确性。

var banker = new Banker(new[] { 3, 3, 2 }, new[,] { { 7, 5, 3 }, { 3, 2, 2 }, { 9, 0, 2 }, { 2, 2, 2 }, { 4, 3, 3 } }, new[,] { { 0, 1, 0 }, { 2, 0, 0 }, { 3, 0, 2 }, { 2, 1, 1 }, { 0, 0, 2 } }, new[,] { { 0, 0, 0 }, { 2, 0, 2 }, { 0, 0, 0 }, { 1, 0, 0 }, { 0, 0, 2 } });
Assert.True(banker.RequestResource(0, new[] { 0, 0, 1 }));
Assert.True(banker.RequestResource(1, new[] { 2, 0, 0 }));
Assert.True(banker.RequestResource(2, new[] { 3, 0, 2 }));
Assert.True(banker.RequestResource(3, new[] { 0, 1, 0 }));
Assert.True(banker.RequestResource(4, new[] { 0, 0, 2 }));
Assert.False(banker.RequestResource(0, new[] { 0, 0, 1 }));

在上面的测试用例中，我们使用了一个比较小的资源数目与进程数目，银行家算法用来防止死锁，测试用例中使用更小的资源数目与进程数目能够更好、更清晰的体现银行家算法的工作方式。

示例说明

假设有5个进程，3个类型的资源。它们需要的资源总数如下表所示。

进程	Max	Allocation
1	7, 5, 3	0, 1, 0
2	3, 2, 2	2, 0, 0
3	9, 0, 2	3, 0, 2
4	2, 2, 2	2, 1, 1
5	4, 3, 3	0, 0, 2

现在所有进程都已经初始化完毕，我们得到可用资源数量 3, 3, 2。现在进程1请求1个R3资源。我们检查资源是否分配安全，并将资源分配给进程。现在资源分配状态如下：

进程	Max	Allocation	Need	Requesting
1	7, 5, 3	0, 1, 1	7, 4, 2	0, 0, 1
2	3, 2, 2	2, 0, 0	1, 2, 2	2, 0, 0
3	9, 0, 2	3, 0, 2	6, 0, 0	0, 0, 0
4	2, 2, 2	2, 1, 1	0, 1, 1	0, 0, 0
5	4, 3, 3	0, 0, 2	4, 3, 1	0, 0, 0

我们再次检查银行家算法是否能否分配资源，假设进程2请求 2个R1资源。此时资源分配状态如下：

进程	Max	Allocation	Need	Requesting
1	7, 5, 3	0, 1, 1	7, 4, 2	0, 0, 1
2	3, 2, 2	2, 0, 2	1, 2, 0	2, 0, 0
3	9, 0, 2	3, 0, 2	6, 0, 0	0, 0, 0
4	2, 2, 2	2, 1, 1	0, 1, 1	0, 0, 0
5	4, 3, 3	0, 0, 2	4, 3, 1	0, 0, 0

此时资源还有剩余，进程2得到了请求的资源，资源分配状态变为：

进程	Max	Allocation	Need	Requesting
1	7, 5, 3	0, 1, 1	7, 4, 2	0, 0, 1
2	3, 2, 2	4, 0, 2	1, 2, 0	0, 0, 0
3	9, 0, 2	3, 0, 2	6, 0, 0	0, 0, 0
4	2, 2, 2	2, 1, 1	0, 1, 1	0, 0, 0
5	4, 3, 3	0, 0, 2	4, 3, 1	0, 0, 0

经过验证，银行家算法实现正确。