ขั้นตอนวิธีของนายธนาคาร

ขั้นตอนวิธีของนายธนาคาร (Banker’s algorithm) ซึ่งหมายถึง เป็นการแก้ปัญหาของธนาคารในกรณีที่มีลูกค้าต้องการกู้ยืมเงิน ซึ่งมีลักษณะการทำงานเหมือนโปรเซสที่ใช้ทรัพยากรในระบบปฏิบัติการทั่วๆไป (ลูกค้าเปรียบเสมือนโปรเซส และเงินที่ถูกยืมเปรียบเสมือนทรัพยากร) จากวิธีการทำงานของธนาคาร ธนาคารจะมีจำนวนเงินที่ให้ลูกค้ากู้ยืมที่จำกัด และมีรายชื่อของลูกค้าพร้อมเครดิตที่แต่ละตนจะได้รับ ลูกค้าบางคนอาจจะพยายามกู้เงินให้ได้เต็มเครดิตที่ตัวเองมี และบางครั้งลูกค้าคนนั้นก็ไม่ยอมจ่ายเงินคืนกลับให้ธนาคารจนกว่าจะได้รับจำนวนเงินที่ต้องการกู้ยืมทั้งหมด แต่นายธนาคารเองก็สามารถปฏิเสธการกู้ยืมของลูกค้าบางคนได้ ถ้าการปล่อยกู้ยืมครั้งนั้นจะทำให้เกิดความเสี่ยงทำให้ธนาคารมีเงินไม่เพียงพอที่จะให้ผู้นั้นได้กู้ยืมเพิ่มเติม และลูกค้าคนนั้นก็ไม่สามารถใช้เงินคืนแก่ธนาคารได้
ในระบบที่ทรัพยากร 1 ตัวสามารถให้บริการได้พร้อมกันหลายโพรเซส การใช้กราฟแทนการใช้งานทรัพยากรจะไม่เหมาะสม จึงมีการเสนออัลกอริทึมของนายธนาคาร ซึ่งเป็นอัลกอริทึมที่ใช้งานได้จริง ระบบธนาคารที่ว่าธนาคารจะไม่จ่ายเงินที่มีอยู่ให้ตามความต้องการของลูกค้าทั้งหมดได้เป็นเวลานาน (หมายถึง มีคนถอนออกอย่างเดียว ธนาคารจะไม่สามารถอยู่ได้) ดังนั้นจึงต้องมีระบบเพื่อกำหนดจำนวนสูงสุดที่จะสามารถให้บริการได้ จำนวนนี้อาจไม่จำเป็นต้องเป็นจำนวนทรัพยากรทั้งหมดที่มีอยู่ในระบบ เมื่อผู้ใช้ขอใช้กลุ่มของทรัพยากร ระบบต้องทำการตรวจสอบว่าถ้าให้ใช้แล้วระบบจะยังคงอยู่ในภาวะปลอดภัยหรือไม่ ถ้าไม่ปลอดภัยการให้ใช้ทรัพยากรต้องรอจนกว่าจะมีผู้ใช้ทรัพยากรรายอื่นที่ใช้แล้วกลับเข้าสู่ระบบ

โครงสร้างของระบบนายธนาคารมีดังนี้

กำหนดให้มี n โพรเซส มีทรัพยากรในระบบทั้งหมด m ตัวมีข้อมูลดังนี้
1. Available : เป็นเวกเตอร์ของขนาดที่ใช้ชี้จำนวนของทรัพยากรที่สามารถใช้งานได้ Available [j]=k ดังนั้น k คือจำนวนที่ทรัพยากรชนิด j จะสามารถให้บริการได้
2. Max : เป็นค่าเมตริกซ์ขนาด n x m ที่กำหนดความต้องการสูงสุดของแต่ละโพรเซส ถ้า Max[i,j] = k แล้วโพรเซส i อาจต้องใช้ทรัพยากร j สูงถึง k บริการ
3. Allocation : เป็นเมตริกซ์ขนาด n x m ที่กำหนดจำนวนของทรัพยากรในแต่ละชนิดที่ให้บริการแต่ละโพรเซสอยู่ได้ ถ้า Allocation[i,j] = k หมายถึงโพรเซส i กำลังใช้งานทรัพยากรชนิด j อยู่ เป็นจำนวน k บริการ
4. Need : เมตริกซ์ขนาด n x m เพื่อบ่งบอกจำนวนทรัพยากรที่เหลือที่ยังต้องการใช้ของแต่ละโพรเซส เช่น Need[i,j] = k หมายถึงโพรเซส i ยังคงต้องการใช้งานทรัพยากร j อยู่อีก k บริการ
พบว่า Need[i,j] = Max[i,j] – Allocation[i,j]

อัลกอริทึมของการขอใช้ทรัพยากร

กำหนดให้ Request i เป็นเวกเตอร์ของการขอใช้งานสำหรับโพรเซส i ถ้า request i[j] = k หมายถึงโพรเซส i ต้องการทำงาน k บริการจากทรัพยากร j เมื่อมีการขอใช้งานทรัพยากรโดยโพรเซส i ก็ จะเกิดการทำงานดังต่อไปนี้
1. ถ้า Request i ≤ Need i ไปยังขั้นตอนที่ 2 นอกจากนั้น ให้แสดงข้อความเตือน เนื่องจากโพรเซสมีการใช้ทรัพยากรมากกว่าที่คาดการณ์ไว้
2. ถ้า Request i ≤ Available ไปยังขั้นตอนที่ 3 นอกจากนี้โพรเซส i ต้องรอเนื่องจากทรัพยากรไม่มีให้ใช้งาน
3. มีการตั้งระบบลวงเพื่อใช้ทรัพยากรที่โพรเซส i ขอใช้โดยการใส่ค่าในตัวแปรต่อไปนี้
Available = Available – Request;
Allocation i = Allocation i + Request i ;
Need i = Need i – Request i ;
ถ้าผลของการกำหนดค่าการให้ใช้ทรัพยากรออกมา พบว่าระบบอยู่ในภาวะปลอดภัย ก็จะจบสิ้นการทำงานแล้วยอมให้โพรเซส i ใช้งานทรัพยากรนั้นจริง ๆ อย่างไรก็ตามถ้าผลออกมาว่าไม่ปลอดภัย โพรเซส i ต้องรอ Request i แล้วก็จะกลับไปสู่ค่าสถานะเก่า

safe and unsafe state

สถานะไม่ปลอดภัย (Unsafe State) เมื่อระบบอยู่ใน Unsafe state จะไม่มี process ใดทำงานได้สำเร็จ เนื่องจาก process ต่างๆ ร้องขอใช้ทรัพยากรตามจำนวนสูงสุดที่สามารถจะใช้ได้ แต่ระบบไม่สามารถจัดสรรทรัพยากรให้กับงานต่างๆได้จึงเกิด deadlock ขึ้น
สถานะปลอดภัย (Safe State) เมื่อระบบอยู่ใน safe state เมื่อจัดอันดับการใช้ resource ให้กับ process แล้วไม่เกิด deadlock

ตัวอย่างขั้นตอนวิธีของนายธนาคาร

Allocation Max Available
A B C A B C A B C
P0 0 1 0 7 5 3 3 3 2
P1 2 0 0 3 2 2
P2 3 0 2 9 0 2
P3 2 1 1 2 2 2
P4 0 0 2 4 3 3
หา Need จาก Max - Allocation
จะได้ Need
A B C
P0 7 4 3
P1 1 2 2
P2 6 0 0
P3 0 1 1
P4 4 3 1
จัดอันดับการใช้ Resource ได้ดังนี้
Need ≤ Available
A B C A B C
P0 7 4 3 ≤ 3 3 2  ; False
P1 1 2 2 ≤ 3 3 2  ; True ; Work = available + allocation = 332 + 200 = 532
P2 6 0 0 ≤ 5 3 2  ; False
P3 0 1 1 ≤ 5 3 2  ; True ; Work = 532 + 211 = 743
P4 4 3 1 ≤ 6 4 3  ; True ; Work = 743 + 002 = 745
P0 7 4 3 ≤ 7 4 5  ; True ; Work = 745 + 010 = 755
P2 6 0 0 ≤ 7 5 5  ; True ; Work = 755 + 302 = 10 5 7
เรียงลำดับการใช้ Process ได้ดังนี้ P1,P3,P4,P0,P2 จึงจะไม่เกิด Deadlock เพราะอยู่ใน Safe state

ตัวอย่างโค้ดในภาษา Python

#E is Max#A is Abailable#C is Allocation#R is Need#BigO is O(n)^2def bankers(E,A,C,R):
    n,m = len(C), len(C[0])
    terminatedProcesses = []
    deadlock = False
    while len(terminatedProcesses) < n and not(deadlock):
        deadlock = True
        for i in range(n):
            if i in terminatedProcesses:
                continue
            elif all([R[i][j] <= A[j] for j in range(m)]):
                # required resources are given to process i
                # process i terminates and gives all his resources back
                A = [C[i][j] + A[j] for j in range(m)]
                terminatedProcesses.append(i)
                deadlock = False
                #print (i, A)
    return not(deadlock), terminatedProcesses