操作系统课程设计利用多线程和信号量解决哲学家进餐问题 java实现.docx
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操作系统课程设计利用多线程和信号量解决哲学家进餐问题java实现
操作系统课程设计
课程设计报告
课题：
利用信号量和多线程机制实现“哲学家进餐”问题
所在学院：
信息工程学院
班级：
计科1201
学号：
121404114
姓名：
魏祥
指导教师：
徐向英
2015年1月1日
一、课程设计目标3
二、课题内容3
三、设计思路3
四、源代码5
五、运行与测试9
六、心得体会10
一、课程设计目标
学习多线程编程，使用线程的同步机制实现“哲学家进餐”问题。
具体要求：
1.创建POSIX线程，实现多线程的并发执行，验证多线程共享进程资源的特性。
2.使用互斥量和条件变量，或使用信号量实现线程的同步互斥。
3.验证“哲学家进餐”问题中的死锁情况，并加以解决。
二、课题内容
哲学家进餐问题由Dijkstra提出，问题描述有五个哲学家共用一张圆桌，分别坐在周围的五张椅子上，在圆桌上有五个碗和五支筷子，他们的生活方式是交替地进行思考和进餐。
平时，一个哲学家进行思考，饥饿时便试图取用其左右最靠近他的筷子，只有在他拿到两只筷子时才能进餐。
进餐完毕，放下筷子继续思考。
本次课题要求使用多线程和信号量解决哲学家进餐问题。
并演示产生死锁的情况。
三、设计思路
经分析可知，放在桌子上的筷子是临界资源，在一段时间内只允许以为哲学家使用。
为了实现对筷子的互斥，可以用一个信号量表示一只筷子，由着五个信号量构成信号量数组。
当哲学家饥饿时总是先去拿左筷子，成功后在拿右筷子。
当五位哲学家同时拿起左筷子，这是每位哲学家都没有右筷子可以拿，就会造成死锁。
思路1：
利用记录型信号量
设置值为4的记录型信号量，至多只允许四位哲学家同时去拿左筷子（leftStick.getSema（）.acquire（）），只有拿到左筷子，才能继续拿右筷子（rightStick.getSema（）.acquire（））。
拿到两双筷子之后便可以用餐，用餐完毕，先放下左筷子（leftStick.getSema（）.release（）），再放下右筷子（rightStick.getSema（）.release（））。
这样便可以避免思索问题。
思路2：
利用AND型信号量
要求每个哲学家必须获取两个筷子的时候才能够进餐，只得到一只筷子不能进餐时，要求释放那一只筷子。
可以使用AND型信号量将左筷子和右筷子信号量的获取组成一个原子操作。
如此也可以避免死锁问题。
本次课程设计是在windows系统下完成，编程语言为java，开发环境:
Eclipse。
由于在java语言中使用记录型信号量更为方便，所以本次课题我使用的是思路一。
staticSemaphoreroom=newSemaphore（4）;
设置值为4的记录型信号量，至多只允许四个哲学家同时拿起左筷子。
privateSemaphoresemaphore=newSemaphore
（1）;
在筷子类中为筷子设置值为1信号量。
room.acquire（）;//获取值为4的信号量
leftStick.getSema（）.acquire（）;//获取左筷子信号量
Thread.sleep（1000*1）;
//拿到左筷子之后等待2秒，观察死锁
rightStick.getSema（）.acquire（）;//获取右筷子信号量
eat（）;
Thread.sleep（1000*2）;//用完餐后等待2秒，继续思考
finishEat（）;
leftStick.getSema（）.release（）;//释放左筷子信号量
rightStick.getSema（）.release（）;//释放右筷子信号量
room.release（）;//释放值为4的信号量
当需要演示死锁的情况是，只需要将room.acquire（）;和room.release（）;这两行注释掉，取消至多只允许四位哲学家一起拿起左筷子的限制，就会产生死锁。
ChopStick[]chopStick=newChopStick[5];
for（inti=0;i<5;i++）{
chopStick[i]=newChopStick（i）;
}
New出编号0到4的五支筷子。
Philosopherph0=newPhilosopher（0,chopStick[0],chopStick[1]）;
Philosopherph1=newPhilosopher（1,chopStick[1],chopStick[2]）;
Philosopherph2=newPhilosopher（2,chopStick[2],chopStick[3]）;
Philosopherph3=newPhilosopher（3,chopStick[3],chopStick[4]）;
Philosopherph4=newPhilosopher（4,chopStick[4],chopStick[0]）;
New出编号0到4的五位哲学家，他们分别对应着自己的左、右两支筷子。
ExecutorServiceexcutor=Executors.newFixedThreadPool（5）;
5位哲学家用餐，所以需要5个线程同时执行，创建容量为5的线程池。
四、源代码
//在Windows下运行,
筷子类（ChopStick.java）
importjava.util.concurrent.Semaphore;
publicclassChopStick{
privateintID;
privatebooleanavailable;
privateSemaphoresemaphore=newSemaphore
（1）;
publicChopStick（intID）{
this.ID=ID;
this.available=true;
this.semaphore=newSemaphore
（1）;
}
publicvoidsetAvai（booleanavailable）{
this.available=available;
}
publicbooleangetAvai（）{
returnthis.available;
}
publicSemaphoregetSema（）{
returnthis.semaphore;
}
publicvoidsetSema（Semaphoresema）{
this.semaphore=sema;
}
publicintgetId（）{
returnthis.ID;
}
}
哲学家类（Philosopher.java）
importjava.util.concurrent.Semaphore;
publicclassPhilosopherimplementsRunnable{
privateintID;
staticSemaphoreroom=newSemaphore（4）;
privateChopStickleftStick;
privateChopStickrightStick;
publicPhilosopher（intID,ChopStickcs1,ChopStickcs2）{
this.ID=ID;
this.leftStick=cs1;
this.rightStick=cs2;
}
publicvoidgetLeftChopStick（）{
this.leftStick.setAvai（false）;
}
publicintgetId（）{
returnID;
}
publicvoideat（）{
leftStick.setAvai（false）;
rightStick.setAvai（false）;
System.out.println（"哲学家"+this.getId（）+"正在用餐。
。
。
"）;
}
publicvoidthink（）{
System.out.println（"哲学家"+this.getId（）+"正在思考。
。
。
"）;
}
publicvoidfinishEat（）{
System.out.println（"哲学家"+this.getId（）+"用餐结束,正在思考。
。
。
"）;
leftStick.setAvai（true）;
rightStick.setAvai（true）;
}
publicvoidreadyToEat（）{
System.out.println（"哲学家"+this.getId（）+"饿了准备用餐。
。
。
"）;
}
publicvoidcannotEat（）{
System.out.println（"哲学家"+this.getId（）+"缺少筷子，不能用餐，等待。
。
。
"）;
}
publicvoidrun（）{
try{
room.acquire（）;
this.readyToEat（）;
if（this.leftStick.getSema（）.availablePermits（）==0||
this.leftStick.getSema（）.availablePermits（）==0）{
this.cannotEat（）;
}
this.leftStick.getSema（）.acquire（）;
Thread.sleep（1000*1）;
this.rightStick.getSema（）.acquire（）;
this.eat（）;
Thread.sleep（1000*2）;
this.finishEat（）;
this.leftStick.getSema（）.release（）;
this.rightStick.getSema（）.release（）;
room.release（）;
}catch（InterruptedExceptionex）{
ex.toString（）;
}
}
}
测试（Test.java）
importjava.util.concurrent.*;
importjava.util.Scanner;
publicclassTest{
publicstaticvoidmain（String[]args）{
Scannerinput=newScanner（System.in）;
menu（）;
intchoice=input.nextInt（）;
while（choice!
=1）{
if（choice==0）{
ChopStick[]chopStick=newChopStick[5];
for（inti=0;i<5;i++）{
chopStick[i]=newChopStick（i）;
}
ExecutorServiceexcutor=Executors.newFixedThreadPool（5）;
Philosopherph0=newPhilosopher（0,chopStick[0],chopStick[1]）;
excutor.execute（newPhilosopher（0,chopStick[0],chopStick[1]））;
excutor.execute（newPhilosopher（1,chopStick[1],chopStick[2]））;
excutor.execute（newPhilosopher（2,chopStick[2],chopStick[3]））;
excutor.execute（newPhilosopher（3,chopStick[3],chopStick[4]））;
excutor.execute（newPhilosopher（4,chopStick[4],chopStick[0]））;
excutor.shutdown（）;
}
choice=input.nextInt（）;
menu（）;
}
}
publicstaticvoidmenu（）{
System.out.println（"0:
演示"）;
System.out.println（"1:
结束"）;
}
}
五、运行与测试
1.运行界面
2.死锁演示
3.无死锁演示
六、心得体会
本次课程设计我总得来说花的时间不是太多，代码加起来一共不超过两百行。
我只用了一种思路来完成。
思路一完成之后，我也尝试着用思路二完成，但是AND型信号量的问题很难解决，最后便放弃了。
拿到课题之前我对哲学家进餐问题了解的还不是很透彻，我利用网络和查询课本彻底搞懂了哲学家进餐问题。
并且得到两种解决思路。
通过此次的课程设计，我想我对多线程的编程理解更深了一点，虽然说死锁的出现几率不是非常的大，但是还是有可能会出现，一旦出现，程序就会锁在哪里，不能继续执行。
所以解决死锁是非常必要的。
由于我在学习java语言的时候，里面有专门降到多线程编程，这对我顺利的完成此次的课程设计有很大的帮助。
Jdk里面丰富的类库也省去了我编写线程类和信号量类的功夫。
虽然说不必考虑这些，但编写代码的时候我还是遇到了一些问题，多线程的执行和信号量的设置让我话费了一些时间。
总的说，这次课程设计，我只用了一种法案解决了哲学家进餐问题，这让我有点不满意。
但独自完成课程设计的感觉还是很畅快的。
也让我对多线程，信号量的理解更深了。
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