利用信号量机制解决哲学家进餐问题Word文档格式.docx

1、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

2、。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

3、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

4、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，

5、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

6、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 Y N五、原程序清单#includeunistd.hassert.hsys/types.hsys/ipc.hsys/sem.hsys/shm.hsignal.hstdlib.h#define N 5#

7、define LEFT（i） （i+N-1）%N#define RIGHT（i） （i+1）%N#define THINKING 0#define EATING 1/#includebehavior_philosophy.hvoid philosopher（int , char*, int , int , void （*）（int, int）, void （*）（int, int）;void take_forks（int , char* , int , int ,void （*）（int, int）, void （*）（int, int）;void put_forks（int , char*

8、, int , int ,void （*）（int, int）, void （*）（int, int）;void test（int , char* , int ,void （*）（int, int）;void think（int ）;void eat（int ）;void P（int , int ）;void V（int , int ）;/*-哲学家动作-*/void philosopher（int i, char* state, int sem_phiid, int sem_mutexid, void （*P）（int, int）, void （*V）（int, int） sleep（1）;

9、 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）; void take_forks（int i, char* state, int sem_phiid, int sem_mutexid, void （*P）（int, int） , void （*V）（int, int） （*P）（sem_mutexid, 0）; statei = THINKING; test（i, state, sem

10、_phiid, V）; （*V）（sem_mutexid, 0）; （*P）（sem_phiid, i）;void put_forks（int i, char* state, int sem_phiid, int sem_mutexid,void （*P）（int, int）, void （*V）（int, int） test（LEFT（i）, state, sem_phiid, V）; test（RIGHT（i）, state, sem_phiid, V）;void test（int i, char* state, int sem_phiid,void （*V）（int, int） if（s

11、tatei = THINKING & stateLEFT（i） != EATING & stateRIGHT（i）!=EATING） statei = EATING; （*V）（sem_phiid, i）;void think（int i） printf（philosopher:%dis THINKING.n, i）;void eat（int i）Im philosopher:is EATING.and will eating %d seconds!n, i, sleep（2）;/*-P,V原子操作-*/void P（int semid, int index） struct sembuf se

12、ma_buffer; sema_buffer.sem_num = index; sema_buffer.sem_op = -1; sema_buffer.sem_flg = SEM_UNDO; semop（semid, &sema_buffer, 1）;void V（int semid, int index） struct sembuf sema_buf; sema_buf.sem_num = index; sema_buf.sem_op = 1; sema_buf.sem_flg = SEM_UNDO;sema_buf, 1）;/*-*/int main（ ）/*-创建信号量操作-*/int

13、 sem_phiid;sem_phiid = semget（1008, 5, 0666|IPC_CREAT）;assert（sem_phiid=0）;unsigned short array5 = 0, 0, 0, 0, 0;union semunint val;unsigned short *array;semopts;semopts.array=array;int ret1 = semctl（sem_phiid, 0, SETALL, semopts）;assert（ret1 = 0）;int sem_mutexid;sem_mutexid = semget（0x225, 1, 0666|

14、IPC_CREAT）;assert（sem_mutexid = 0）;semopts.val = 1;int ret2 = semctl（sem_mutexid, 0, SETVAL, semopts）;assert（ret2 = 0）;/*-初始化共享内存-*/int shmid;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（shmget fail

15、d!）; exit（1）;if（state = shmat（shmid, 0, 0） = （char *）-1）shmat faild!/*-*/ int i, phinum; pid_t pid; for（i=0; i0） while（wait（int *）0） = -1）; semctl（sem_mutexid, 0, IPC_RMID, 0）; shmdt（state）;Hi, GAME OVER!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。