操作系统专业课程设计哲学家进餐问题.docx
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操作系统专业课程设计哲学家进餐问题
1.设计题目和要求
1.1试验目标和设计要求
试验目标:
经过实现哲学家进餐问题同时深入了解和掌握进程同时和互斥原理。
设计要求:
哲学家有N个,也定全体到齐后开始讨论:
在讨论间隙哲学家进餐,每人进餐时全部需使用刀、叉各一把,全部哲学家刀和叉全部拿到后才能进餐。
哲学家人数、餐桌上部署自行设定,实现刀和叉互斥使用算法程序实现。
1.2初始条件
(1)操作系统:
windows
(2)程序设计语言:
C++
(3)设定圆桌上有六个哲学家,三对刀叉,以下图摆放:
图1-1哲学家进餐问题设定图
2总体设计思想及相关知识
2.1总体设计思想
哲学家生活就是思索和吃饭,即思索,饿了就餐,再思索,循环往复。
要求是:
每一个哲学家只有在拿到在她左右刀叉后,才能够就餐;哲学家只能先拿一把刀或叉,再去拿另一把刀或叉,而不能同时去抓她旁边两把餐具,也不能从其它哲学家手中抢夺餐具;哲学家每次就餐后必需放下她手中两把餐具后恢复思索,不能强抓住餐具不放。
设计一个程序,能够显示目前各哲学家状态和桌上餐具使用情况,并能无死锁推算出下一状态各哲学家状态和桌上餐具使用情况。
即设计一个能安排哲学家正常生活程序。
为哲学家设计3种状态,即“等候”“进餐”“思索”。
每个哲学家反复进行“等候”->“进餐”->“思索”行动循环。
其中:
“等候”->“进餐”:
只有一个哲学家处于等候进餐状态,且左右手两边餐具全部处于“空闲”状态时,能够发生这种状态改变。
此状态改变发生后,哲学家拿起左右手两边餐具。
“进餐”->“思索”:
此状态改变发生后,哲学家放下左右手上餐具。
餐具状态由“使用中”转变为“空闲”。
“思索”->“等候”:
哲学家思索结束后,无条件转入等候状态。
由上所述,程序中应设置6个元素信号量数组,tools[6],用来保持哲学家之间同时。
2.2临界区互斥编程原理
不管是硬件临界资源,还是软件临界资源,多个进程必需互斥地对它进行访问。
每个进程中访问临界资源那段代码称为临界区(CriticalSection)。
每个进程中访问临界资源那段程序称为临界区(CriticalSection)(临界资源是一次仅许可一个进程使用共享资源)。
每次只准许一个进程进入临界区,进入后不许可其它进程进入。
不管是硬件临界资源,还是软件临界资源,多个进程必需互斥地对它进行访问。
本程序关键使用了EnterCriticalSection(&cs)和LeaveCriticalSection(&cs)两个函数实现临界区互斥。
EnterCriticalSection(&cs)用来进入临界区,LeaveCriticalSection(&cs)用来离开临界区。
2.3开发环境和工具
系统平台:
WINDOW环境
实现语言:
C++
开发工具:
VC++6.0
3数据结构和模块说明
3.1数据结构
Philosopher
-number:
int
-status:
int
+Philosopher(innum:
int)
+find()const:
int
+getinfo()const:
int
+Change():
void
图3-1哲学家类UML图
程序中定义一个哲学家类,包含两个私有对象和四个公有对象。
Number对象:
报讯哲学家编号。
Status对象:
用于保留目前该哲学家状态,0表示正在等候(即处于饥饿状态)1表示得到餐具正在吃饭,2表示正在思索
Philosopher(intnum)方法:
哲学家类结构函数,参数num表示哲学家编号
find()const方法:
返回该哲学家编号
getinfo()const方法:
返回哲学家目前状态
Change()方法:
依据题目要求改变哲学家状态(等候->进餐->思索->等候…………)
另外,程序中包含一个公有对象,bool类型数组tools[6],用来保留6把餐目前状态:
true表示该餐具目前空闲,false表示该餐具目前正被使用。
程序中还包含两个公有函数:
print和toolstatus。
Print用来返回一个哲学家状态,toolstatus用来返回一个餐具状态。
3.2程序各模块步骤图
3.2.1主程序模块
图3-2主程序模块步骤图
3.2.2状态改变模块
图3-3状态改变模块Change()步骤图
3.2.3返回哲学家状态模块
图3-4返回哲学家状态模块print()步骤图
3.2.4返回餐具状态模块
图3-5返回餐具状态模块toolstatus(boola)步骤图
4.源程序代码
//试验目标:
经过实现哲学家进餐问题同时深入了解和掌握进程同时和互斥原理。
//设计要求:
哲学家有N个,也定全体抵达后开始讨论:
在讨论间隙哲学家进餐,
//每人进餐时全部需使用刀、叉各一把,全部哲学家刀和叉全部拿到后才能进餐。
哲学家人数、
//餐桌上部署自行设定,实现刀和叉互斥使用算法程序实现。
#include
#include
#include
#include
#include
usingnamespacestd;
booltools[6];//全局变量,用餐工具
CRITICAL_SECTIONcs;//信号量,在线程中使用,临界区
classPhilosopher
{
private:
intnumber;
intstatus;/*标识目前哲学家状态,0表示正在等候(即处于饥饿状态),1表示得到两支筷子正在吃饭,2表示正在思索*/
public:
Philosopher(intnum=0):
status
(2),number(num){}
intfind()const{returnnumber;}
intgetinfo()const{returnstatus;}
voidChange();//状态改变函数
};
voidPhilosopher:
:
Change()
{
EnterCriticalSection(&cs);//进入临界区
if(status==1)//正在进餐
{
tools[number%6]=true;//放下左手工具
tools[(number-1)%6]=true;//放下右手工具
status=2;//改变状态为思索
}
elseif(status==2)//思索中
{
status=0;//改变状态为等候
}
elseif(status==0)//等候中
{
if(tools[number%6]&&tools[(number-1)%6])//左右手两边工具均为空闲状态
{
tools[number%6]=false;//拿起左手工具
tools[(number-1)%6]=false;//拿起右手工具
status=1;
}
}
LeaveCriticalSection(&cs);
}
stringprint(Philosopher*pA)
{
//pA->Change();
inti=pA->getinfo();
stringstr;
if(i==0)
str="等候";
elseif(i==1)
str="就餐";
elsestr="思索";
returnstr;
}
stringtoolstatus(boola)
{
stringstate;
if(a==true)
state="闲";
if(a==false)
state="用";
returnstate;
}
intmain()
{
charcon='y';//判定是否继续
for(inti=0;i<6;i++)
tools[i]=true;//3组刀叉全部未使用,初始化
PhilosopherP1
(1),P2
(2),P3(3),P4(4),P5(5),P6(6);
InitializeCriticalSection(&cs);//初始化初始化临界区
cout<<"-----------------------状态说明示意图:
-----------------------"<cout<<""<<"哲学家0号状态"<<""<cout<<"哲学家5号状态"<<""<<"叉3状态"<<""<<"刀1状态"<<""<<"哲学家1号状态"<cout<<""<<"刀3状态"<<""<<"叉1状态"<cout<<"哲学家4号状态"<<""<<"叉2状态"<<""<<"刀2状态"<<""<<"哲学家2号状态"<cout<<""<<"哲学家3号状态"<<""<cout<<"餐具状态,“用”表示使用中,“闲”表示空闲中。
"<cout<<"--------------------------"<cout<<"哲学家们开始生活:
"<cout<cout<while(con=='y')
{
P1.Change();
P2.Change();
P3.Change();
P4.Change();
P5.Change();
P6.Change();
cout<<"目前状态为:
"<cout<<""<cout<cout<<""<cout<cout<<""<cout<<"--------------------------"<cout<<"若要继续下一状态,输入y;输入其它,结束程序:
";
cin>>con;
Sleep(20);
}
DeleteCriticalSection(&cs);//退出资源区
return0;
}
5.测试及结果
图5-1程序运行开始界面
图5-2哲学家状态1
图5-3哲学家状态2
图5-4哲学家状态3
图5-5哲学家状态4
图5-6退出程序
6.课设总结
经过了前后共2周时间,我完成了这次课程设计。
经过这次课程设计,我学到了很多书本上学不到知识,注意到了很多书本上没有提到东西。
而且,经过这次设计,我得到了一个很好理论联络实际机会,锻炼了经过理论处理实际问题能力。
正所谓“实践出真知”,有些代码看上去没什么问题,不过实际运行起来就是不出正确结果。
代码内部可能存在逻辑或语法等方面我们平时不会注意到小问题,经过这次课程设计,我积累了不少这么小问题处理方法。
设计中总会碰到这么那样问题,碰到问题势必需自己分析问题,经过多种渠道处理问题,比如利用互联网。
这次课程设计也加强了我上网查数检索问题能力。
有些时候,学习到知识是次要,关键是学习知识方法。
参考文件
[1]宗大华,宗涛,陈吉人著.操作系统.北京:
人民邮电出版社,
[2]李爱华,程磊著.面相对象程序设计(C++语言).北京:
清华大学出版社,