银行家算法（Banker's Algorithm）
概述
银行家算法是一种用于避免死锁的算法。它是由艾兹格·迪科斯彻在1965年提出的，用于解决操作系统中的资源分配问题。在操作系统中，进程需要请求和释放资源，银行家算法就是用来判断系统是否处于安全状态，以及是否能够满足进程的请求。
银行家算法的基本思想是，在每次进程申请资源时，系统先判断该申请是否会导致系统进入不安全状态，如果会，就不给予分配。只有当系统处于安全状态时，才给予进程资源。通过这种方式，可以避免资源死锁的发生。
银行家算法的实现依赖于进程和资源的状态，以及对进程请求的判断。在本文中，我们将使用Python语言来实现银行家算法，以便更好地理解算法的原理和实际应用。
状态图
下面是银行家算法的状态图：
stateDiagram
[*] --> SafeState
SafeState --> UnsafeState
UnsafeState --> [*]
类图
银行家算法的实现主要涉及两个类：Banker和Process。下面是银行家算法的类图：
classDiagram
class Process {
- id: int
- allocation: List[int]
- max: List[int]
- need: List[int]
- request: List[int]
+ __init__(id: int, allocation: List[int], max: List[int])
+ set_request(request: List[int])
}
class Banker {
- processes: List[Process]
- available: List[int]
+ __init__(processes: List[Process], available: List[int])
+ is_safe_state() -> bool
+ allocate_resources(process_id: int) -> bool
+ release_resources(process_id: int)
}
银行家算法的实现
我们使用Python语言来实现银行家算法。首先，我们需要定义一个Process类来表示进程。每个进程有一个唯一的id、分配的资源、最大需求和剩余需求。这些信息在进程创建时就确定，之后可以通过set_request方法来设置进程的请求。
class Process:
def __init__(self, id, allocation, max):
self.id = id
self.allocation = allocation
self.max = max
self.need = [max[i] - allocation[i] for i in range(len(max))]
self.request = []
def set_request(self, request):
self.request = request
接下来，我们定义一个Banker类来表示银行家。该类包含了进程和可用资源的列表。在初始化时，我们需要将所有的进程和可用资源传递给银行家。银行家的核心方法是is_safe_state、allocate_resources和release_resources。
class Banker:
def __init__(self, processes, available):
self.processes = processes
self.available = available
def is_safe_state(self):
work = self.available.copy()
finish = [False for _ in range(len(self.processes))]
need = [p.need.copy() for p in self.processes]
while True:
# Find a process that can finish
process_id = -1
for i, p in enumerate(self.processes):
if not finish[i] and all(need[i][j] <= work[j] for j in range(len(work))):
process_id = i
break
if process_id == -1:
break
# Allocate resources
for j in range(len(work)):
work[j] += p.allocation[j]
finish[process_id] = True
return all(finish)
def allocate_resources(self, process_id):
p = self.processes[process_id]
request = p.request
# Check if the request can be granted
if any(request[i] > p.need[i] for i in range(len(request))):
return False
if any(request[i] > self.available[i] for i in range(len(request))):
return False
# Temporarily allocate resources
for i in range(len(request)):
p.allocation[i] += request[i]
p.need[i] -= request[i]
self
