利用信号量机制解决哲学家进餐问题Word文档格式.docx
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哲学家的生活中有两种交替活动时段，吃饭（EATING）和思考（THINKING）。
当一个哲学家觉得饿了时，他就试图分两次去取左手边和右手边的叉子，每次拿一把，但不分次序。
如果成功拿到两把叉子，就进入吃饭状态，吃完后放下叉子继续思考。
二、设计思路
1.每个哲学家的行为活动状态为两种：
进餐（EATING）和思考（THINKING）。
因此创建一个有5个元素的状态数组，每个数组元素的状态值为EATING或者THINKING。
2.五个哲学家围坐成一圈，每两个人中间有一个叉子，即每个哲学家的边和右边有一个叉子，但这个叉子需要和旁边的邻居竞争使用。
对于每一个哲学家来说，其只有成功获得两个叉子，才能进入进餐状态。
在进完餐后，需要成功放下手中的两个叉子，才能进入思考的状态。
换个角度的描述就是，每个哲学家查询左右边的邻居当前状态，如果左右的邻居当前状态都为THINKING，则该哲学家可以进餐；
如果左右邻居当前状态不都是THINKING，则哲学家不能进餐。
因此可以为每一个哲学家设置一个信号量，来描述哲学家的活动状态。
3.因为五只叉子做多只能允许两个哲学家进餐，所以可以将桌子作为一个临界资源。
通过设置一个互斥信号量来限制对临界资源的访问数。
4.创建两个动作函数，对应于每个哲学家的获取两把叉子和放下两把叉子的动作。
而每个动作都需要对互斥信号量和哲学家信号量进行访问操作，因此创建原子操作P和原子操作V，来执行对信号量的消耗和释放操作。
5.利用父进程创建五个子进程来模拟五个哲学家，在每个子进程中执行PHILOSOPHER（phi_num）函数来模拟每个哲学家进入哲学家进餐问题活动。
三、主要问题的解决方法和关键技术
1.共享状态数组问题。
问题描述：
因为状态数组是共享的，而每个模拟哲学家的子进程是相互独立的，有自己的地址空间，在进程之间共享使用状态数组出现问题。
解决方法：
父进程通过利用UNIX系统进程通信机制中共享内存机制的shmget（）和shmat系统调用创建一个共享内存区，并将状态数组地址链接到进程地址空间，成功的解决了该问题。
2.信号量创建及初始化问题
整个程序使用两个不同的信号量，一个是记录型信号量数组，一个是互斥信号量，并且在信号量创建初就需要对信号量进行初始化，这样才能保证接下来的子进程运行时，五个子进程面对的是相同值的信号量数组。
父进程通过利用UNIX系统进程通信机制中信号量机制的semget（）系统调用和semctl（）系统调用，成功创建一个五元素的信号量数组和一个元素的信号量数组，并将其在初始为设计的初始值，保证了程序后续操作的正确。
3.P和V原子操作问题
在子进程中的对信号量的操作必须是原子操作P和V，而且由于在动作函数中需要调用P和V原子操作，所以必须保证P和V操作的原子性，否则函数之间参数的传递将出现不一致。
利用UNIX系统进程通信机制中信号量机制的semop（）系统调用，封装P和V操作函数，保证了函数的原子性。
4.进程创建的准确时刻问题
根据设计的描述，程序是通过五个子进程来模拟五个哲学家，但对进程创建的先后顺序没有要求，又由于进程分配到时间片是有限的，并且在创建的过程中要保证五个子进程都是统一父进程创建的，所以对于进程的创建时刻不太容易确定。
利用的UNIX系统的进程创建fork（）系统调用，创建一个有五个子进程的进程扇，成功的解决创建准确时刻问题
5.哲学家动作函数编译问题
问题描述：
在哲学家的三个动作函数中需要对两个类型的信号量进行操作，所以不可避免的需要调用P和V原子操作。
尽管在动作函数定义之前，已经声明了P和V函数。
但是由于其原子性，在动作函数中直接使用P，V函数导致了严重的编译错误问题。
解决方法：
通过在各个函数参数列表中添加需要指向将使用的P和V函数指针，并在使用时采用（*P）和（*V）形式来解除引用操作，成功的解决了编译错误问题。
四、程序流程图
约定：
Take_forks函数动作TKFK
Put_forks函数动作PTFK
Test函数动作TEST
THINKING思考状态THINK
EATING进餐状态EAT
N
Y
YN
五、原程序清单
#include<
stdio.h>
unistd.h>
assert.h>
sys/types.h>
sys/ipc.h>
sys/sem.h>
sys/shm.h>
signal.h>
stdlib.h>
#defineN5
#defineLEFT（i）（i+N-1）%N
#defineRIGHT（i）（i+1）%N
#defineTHINKING0
#defineEATING1
//#include"
behavior_philosophy.h"
voidphilosopher（int,char*,int,int,void（*）（int,int）,void（*）（int,int））;
voidtake_forks（int,char*,int,int,void（*）（int,int）,void（*）（int,int））;
voidput_forks（int,char*,int,int,void（*）（int,int）,void（*）（int,int））;
voidtest（int,char*,int,void（*）（int,int））;
voidthink（int）;
voideat（int）;
voidP（int,int）;
voidV（int,int）;
/*------------------------哲学家动作-----------------*/
voidphilosopher（inti,char*state,intsem_phiid,intsem_mutexid,void（*P）（int,int）,void（*V）（int,int））{
sleep
（1）;
think（i）;
while
（1）{
take_forks（i,state,sem_phiid,sem_mutexid,P,V）;
eat（i）;
put_forks（i,state,sem_phiid,sem_mutexid,P,V）;
}
}
voidtake_forks（inti,char*state,intsem_phiid,intsem_mutexid,void（*P）（int,int）,void（*V）（int,int））{
（*P）（sem_mutexid,0）;
state[i]=THINKING;
test（i,state,sem_phiid,V）;
（*V）（sem_mutexid,0）;
（*P）（sem_phiid,i）;
voidput_forks（inti,char*state,intsem_phiid,intsem_mutexid,void（*P）（int,int）,void（*V）（int,int））{
test（LEFT（i）,state,sem_phiid,V）;
test（RIGHT（i）,state,sem_phiid,V）;
voidtest（inti,char*state,intsem_phiid,void（*V）（int,int））{
if（state[i]==THINKING&
&
state[LEFT（i）]!
=EATING&
state[RIGHT（i）]!
=EATING）{
state[i]=EATING;
（*V）（sem_phiid,i）;
voidthink（inti）{
printf（"
philosopher:
%d>
>
isTHINKING.\n"
i）;
voideat（inti）{
I'
mphilosopher:
isEATING.andwilleating%dseconds!
\n"
i,sleep
（2））;
/*---------------------P,V原子操作------------*/
voidP（intsemid,intindex）{
structsembufsema_buffer;
sema_buffer.sem_num=index;
sema_buffer.sem_op=-1;
sema_buffer.sem_flg=SEM_UNDO;
semop（semid,&
sema_buffer,1）;
voidV（intsemid,intindex）{
structsembufsema_buf;
sema_buf.sem_num=index;
sema_buf.sem_op=1;
sema_buf.sem_flg=SEM_UNDO;
sema_buf,1）;
/*-----------------------------------------------------------*/
intmain（）
{
/*-------------------------创建信号量操作----------------*/
intsem_phiid;
sem_phiid=semget（1008,5,0666|IPC_CREAT）;
assert（sem_phiid>
=0）;
unsignedshortarray[5]={0,0,0,0,0};
unionsemun{
intval;
unsignedshort*array;
}semopts;
semopts.array=array;
intret1=semctl（sem_phiid,0,SETALL,semopts）;
assert（ret1==0）;
intsem_mutexid;
sem_mutexid=semget（0x225,1,0666|IPC_CREAT）;
assert（sem_mutexid>
=0）;
semopts.val=1;
intret2=semctl（sem_mutexid,0,SETVAL,semopts）;
assert（ret2==0）;
/*------------------初始化共享内存-----------------------*/
intshmid;
char*state;
if（（shmid=shmget（IPC_PRIVATE,N,0600|IPC_CREAT））==-1）{
semctl（sem_phiid,0,IPC_RMID,0）;
semctl（sem_mutexid,0,IPC_RMID,0）;
perror（"
shmgetfaild!
"
）;
exit
（1）;
if（（state=shmat（shmid,0,0））==（char*）-1）{
shmatfaild!
/*-----------------------------------------------*/
inti,phinum;
pid_tpid;
for（i=0;
i<
5;
i++）{
while（（pid=fork（））==-1）;
if（!
pid）{
phinum=i;
signal（SIGINT,SIG_DFL）;
break;
if（pid>
0）{
while（wait（（int*）0）==-1）;
semctl（sem_mutexid,0,IPC_RMID,0）;
shmdt（state）;
Hi,GAMEOVER!
else
philosopher（phinum,state,sem_phiid,sem_mutexid,P,V）;
六、程序运行结果
截图一
截图二
截图三
七、设计总结
这次课程设计通过利用UNIX系统的信号量机制和共享内存机制，编写一个解决哲学家进餐问题的程序，感觉有很多收获，主要体现在以下几点：
（1）很好的复习了UNIX系统编程课上所学的知识，尤其是对unix进程通信机制中信号量机制和共享内存机制有了实践和更深的认识。
（2）练习了C编程，尤其是对函数指针有了更深的认识。
（3）复习了操作系统进程通信的原理。
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