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Word文档格式.docx
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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)
publicclassPhilosopherimplementsRunnable{
staticSemaphoreroom=newSemaphore(4);
privateChopStickleftStick;
privateChopStickrightStick;
publicPhilosopher(intID,ChopStickcs1,ChopStickcs2){
this.leftStick=cs1;
this.rightStick=cs2;
publicvoidgetLeftChopStick(){
this.leftStick.setAvai(false);
returnID;
publicvoideat(){
leftStick.setAvai(false);
rightStick.setAvai(false);
System.out.println("
哲学家"
+this.getId()+"
正在用餐。
。
"
);
publicvoidthink(){
+this.getId()+"
正在思考。
publicvoidfinishEat(){
用餐结束,正在思考。
leftStick.setAvai(true);
rightStick.setAvai(true);
publicvoidreadyToEat(){
饿了准备用餐。
publicvoidcannotEat(){
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;
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(){
0:
演示"
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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