利用信号量机制解决哲学家进餐问题.docx

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利用信号量机制解决哲学家进餐问题

成绩：

课程设计报告

课程名称：

课程设计（UNIX程序设计）

设计题目：

利用信号量机制解决哲学家进餐问题

姓名：

专业：

网络工程

班级：

学号：

计算机科学与技术学院

网络系

2013年12月28日

设计项目：

利用信号量机制解决哲学家进餐问题

一、选题背景

1965年，数学家迪杰斯特拉提出，并成为经典的IPC问题—哲学家进餐问题。

该问题的简单描述如下：

五个哲学家围坐在一张圆桌周围，每个哲学家面前都一盘通心粉。

由于通心粉很滑，需要两把叉子才能夹住。

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

问题描述：

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。

解决方法：

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

问题描述：

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。

解决方法：

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

问题描述：

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。

解决方法：

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

N

Y

YN

五、原程序清单

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#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）;

think（i）;

}

}

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））{

（*P）（sem_mutexid,0）;

state[i]=THINKING;

test（LEFT（i）,state,sem_phiid,V）;

test（RIGHT（i）,state,sem_phiid,V）;

（*V）（sem_mutexid,0）;

}

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）{

printf（"I'mphilosopher:

%d>>>>>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;

semop（semid,&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）{

semctl（sem_phiid,0,IPC_RMID,0）;

semctl（sem_mutexid,0,IPC_RMID,0）;

perror（"shmatfaild!

"）;

exit

（1）;

}

/*-----------------------------------------------*/

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_phiid,0,IPC_RMID,0）;

semctl（sem_mutexid,0,IPC_RMID,0）;

shmdt（state）;

printf（"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。