操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)——哲學(xué)家進(jìn)餐問題

1、操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告院（系）： 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院 專業(yè)： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 學(xué)生姓名:題目：模擬仿真哲學(xué)家進(jìn)餐問題的解決過程及方法起訖日期: 2010.6.30-2010.7.11 完成日期: 2010 年 7 月 10 日目錄1設(shè)計(jì)題目與要求21.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.3 初始條件22 總體設(shè)計(jì)思想及相關(guān)知識(shí)32.1總體設(shè)計(jì)思想32.2 臨界區(qū)互斥編程原理32.3開發(fā)環(huán)境與工具43數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與模塊說明43.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)43.2程序各模塊流程圖63.2.1 主程序模塊63.2.2 狀態(tài)改變模塊73.2.3 返回哲學(xué)家狀態(tài)模塊83.2.4 返回餐具狀態(tài)模塊94. 源程序代碼105. 測(cè)試及結(jié)果156.

2、 課設(shè)總結(jié)17參考文獻(xiàn)181設(shè)計(jì)題目與要求1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^實(shí)現(xiàn)哲學(xué)家進(jìn)餐問題的同步,深入了解和掌握進(jìn)程同步和互斥的原理。1.2設(shè)計(jì)要求哲學(xué)家有N個(gè)，也定全體到達(dá)后開始討論：在討論的間隙哲學(xué)家進(jìn)餐，每人進(jìn)餐時(shí)都需使用刀、叉各一把，所有哲學(xué)家刀和叉都拿到后才能進(jìn)餐。哲學(xué)家的人數(shù)、餐桌上的布置自行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)刀和叉的互斥使用算法的程序?qū)崿F(xiàn)。1.3 初始條件（1）操作系統(tǒng)：windows（2）程序設(shè)計(jì)語言：C+（3）設(shè)定圓桌上有六個(gè)哲學(xué)家，三對(duì)刀叉，如下圖擺放：圖1-1 哲學(xué)家進(jìn)餐問題設(shè)定圖2 總體設(shè)計(jì)思想及相關(guān)知識(shí)2.1總體設(shè)計(jì)思想哲學(xué)家的生活就是思考和吃飯，即思考，就餐，再思考，往復(fù)循環(huán)。要求是：

3、每一個(gè)哲學(xué)家只有在拿到位于他左右的刀叉后，才能夠就餐；哲學(xué)家只能先拿一把刀或叉，再去拿另一把刀或叉，而不能同時(shí)去抓他旁邊的兩把餐具，也不能從其他哲學(xué)家手中搶奪餐具；哲學(xué)家每次就餐后必須放下他手中的兩把餐具后恢復(fù)思考，不能強(qiáng)抓住餐具不放。設(shè)計(jì)一個(gè)程序，能夠顯示當(dāng)前各哲學(xué)家的狀態(tài)和桌上餐具的使用情況，并能無死鎖的推算出下一狀態(tài)各哲學(xué)家的狀態(tài)和桌上餐具的使用情況。即設(shè)計(jì)一個(gè)能安排哲學(xué)家正常生活的程序。為哲學(xué)家設(shè)計(jì)3種狀態(tài)，即“等待”“進(jìn)餐”“思考”。每個(gè)哲學(xué)家重復(fù)進(jìn)行“等待”->“進(jìn)餐”->“思考”的行動(dòng)循環(huán)。其中：“等待”->“進(jìn)餐”：只有一個(gè)哲學(xué)家處于等待進(jìn)餐狀態(tài)，且左右手兩邊

4、的餐具都處于“空閑”狀態(tài)時(shí)，可以發(fā)生這種狀態(tài)改變。此狀態(tài)改變發(fā)生后，哲學(xué)家拿起左右手兩邊的餐具。“進(jìn)餐”->“思考”：此狀態(tài)改變發(fā)生后，哲學(xué)家放下左右手上的餐具。餐具狀態(tài)由“使用中”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱臻e”?！八伎肌?>“等待”：哲學(xué)家思考結(jié)束后，無條件轉(zhuǎn)入等待狀態(tài)。由上所述，程序中應(yīng)設(shè)置6個(gè)元素的信號(hào)量數(shù)組，tools6，用來保持哲學(xué)家之間的同步。2.2 臨界區(qū)互斥編程原理不論是硬件臨界資源，還是軟件臨界資源，多個(gè)進(jìn)程必須互斥地對(duì)它進(jìn)行訪問。每個(gè)進(jìn)程中訪問臨界資源的那段代碼稱為臨界區(qū)（Critical Section）。 每個(gè)進(jìn)程中訪問臨界資源的那段程序稱為臨界區(qū)（Critical Sec

5、tion）（臨界資源是一次僅允許一個(gè)進(jìn)程使用的共享資源）。每次只準(zhǔn)許一個(gè)進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)，進(jìn)入后不允許其他進(jìn)程進(jìn)入。不論是硬件臨界資源，還是軟件臨界資源，多個(gè)進(jìn)程必須互斥地對(duì)它進(jìn)行訪問。本程序主要使用了EnterCriticalSection (&cs)和LeaveCriticalSection (&cs)兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)互斥。EnterCriticalSection (&cs)用來進(jìn)入臨界區(qū)，LeaveCriticalSection (&cs)用來離開臨界區(qū)。2.3開發(fā)環(huán)境與工具系統(tǒng)平臺(tái)：WINDOW環(huán)境實(shí)現(xiàn)語言：C+開發(fā)工具：VC+6.03數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與模塊說明

6、3.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Philosopher-number:int-status:int+Philosopher(in num:int)+find() const:int+getinfo() const:int+Change():void圖3-1 哲學(xué)家類的UML圖程序中定義一個(gè)哲學(xué)家類，包含兩個(gè)私有對(duì)象和四個(gè)公有對(duì)象。Number對(duì)象：哲學(xué)家的編號(hào)。Status對(duì)象：用于保存當(dāng)前該哲學(xué)家的狀態(tài)，0表示正在等待（即處于饑餓狀態(tài)）1表示得到餐具正在吃飯，2表示正在思考Philosopher(int num)方法：哲學(xué)家類構(gòu)造函數(shù)，參數(shù)num表示哲學(xué)家編號(hào)find() const方法：返回該哲學(xué)家編號(hào)g

7、etinfo() const方法：返回哲學(xué)家當(dāng)前狀態(tài)Change()方法：根據(jù)題目要求改變哲學(xué)家的狀態(tài)（等待->進(jìn)餐->思考->等待）另外，程序中包含一個(gè)公有對(duì)象，bool類型數(shù)組tools6，用來保存6把餐具當(dāng)前狀態(tài)：true表示該餐具當(dāng)前空閑，false表示該餐具當(dāng)前正被使用。程序中還包含兩個(gè)公有函數(shù)：print和toolstatus。Print用來返回一個(gè)哲學(xué)家的狀態(tài)，toolstatus用來返回一個(gè)餐具的狀態(tài)。3.2程序各模塊流程圖3.2.1 主程序模塊圖3-2 主程序模塊流程圖3.2.2 狀態(tài)改變模塊圖3-3 狀態(tài)改變模塊Change()流程圖3.2.3 返回哲學(xué)家

8、狀態(tài)模塊圖3-4 返回哲學(xué)家狀態(tài)模塊print()流程圖3.2.4 返回餐具狀態(tài)模塊圖3-5 返回餐具狀態(tài)模塊toolstatus(bool a)流程圖4. 源程序代碼/實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^實(shí)現(xiàn)哲學(xué)家進(jìn)餐問題的同步深入了解和掌握進(jìn)程同步和互斥的原理。/設(shè)計(jì)要求：哲學(xué)家有N個(gè)，也定全體到達(dá)后開始討論：在討論的間隙哲學(xué)家進(jìn)餐，/每人進(jìn)餐時(shí)都需使用刀、叉各一把，所有哲學(xué)家刀和叉都拿到后才能進(jìn)餐。哲學(xué)家的人數(shù)、/餐桌上的布置自行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)刀和叉的互斥使用算法的程序?qū)崿F(xiàn)。#include <windows.h> #include <time.h> #include <string

9、> #include <iostream> #include <assert.h> using namespace std; /控制活動(dòng)線程數(shù)目的信號(hào)量（保護(hù)線程共享資源）bool tools6;/全局變量，用餐工具CRITICAL_SECTION cs; /信號(hào)量, 在線程中使用，臨界區(qū)class Philosopher private: int number;int status; /*標(biāo)記當(dāng)前哲學(xué)家的狀態(tài),0表示正在等待(即處于饑餓狀態(tài)),1表示得到兩支筷子正在吃飯,2表示正在思考*/public:Philosopher(int num=0): status

10、(2), number(num) int find() const return number; int getinfo() const return status; void Change() ; /狀態(tài)改變函數(shù); void Philosopher:Change() EnterCriticalSection (&cs) ; /進(jìn)入臨界區(qū)if(status=1)/正在進(jìn)餐toolsnumber%6=true; /放下左手工具tools(number-1)%6=true; /放下右手工具status=2;/改變狀態(tài)為思考 else if(status=2)/思考中 status=0; /

11、改變狀態(tài)為等待 else if(status=0)/等待中 if(toolsnumber%6&&tools(number-1)%6) /左右手兩邊工具均為空閑狀態(tài)toolsnumber%6=false; /拿起左手工具tools(number-1)%6=false; /拿起右手工具status=1; LeaveCriticalSection (&cs) ; string print(Philosopher *pA) /pA->Change(); int i=pA->getinfo(); string str; if(i=0) str="等待&quo

12、t; else if(i=1) str="就餐" else str="思考" return str; string toolstatus(bool a)string state;if(a=true)state="閑"if(a=false)state="用"return state;int main() char con = 'y' /判斷是否繼續(xù)for(int i=0;i<6;i+) toolsi=true; /3組刀叉都未使用，初始化Philosopher P1(1),P2(2),P3(3)

13、,P4(4),P5(5),P6(6); InitializeCriticalSection (&cs) ; /初始化初始化臨界區(qū)cout<<"-狀態(tài)說明示意圖：-"<<endl;cout<<""<<"哲學(xué)家0號(hào)的狀態(tài)"<<""<<endl;cout<<"哲學(xué)家5號(hào)的狀態(tài)"<<""<<"叉3的狀態(tài)"<<""<

14、;<"刀1的狀態(tài)"<<""<<"哲學(xué)家1號(hào)的狀態(tài)"<<endl;cout<<" "<<"刀3的狀態(tài)"<<" "<<"叉1的狀態(tài)"<<endl;cout<<"哲學(xué)家4號(hào)的狀態(tài)"<<""<<"叉2的狀態(tài)"<<""<<&qu

15、ot;刀2的狀態(tài)"<<""<<"哲學(xué)家2號(hào)的狀態(tài)"<<endl;cout<<""<<"哲學(xué)家3號(hào)的狀態(tài)"<<""<<endl;cout<<"餐具的狀態(tài)，“用”表示使用中，“閑”表示空閑中。"<<endl;cout<<"-"<<endl;cout<<"哲學(xué)家們開始生活："<<

16、endl;cout<<endl;cout<<endl;while(con='y') P1.Change();P2.Change();P3.Change();P4.Change();P5.Change();P6.Change();cout<<"當(dāng)前狀態(tài)為："<<endl;cout<<""<<P1.find()<<print(&P1)<<""<<endl;cout<<P6.find()<&l

17、t;print(&P6)<<""<<toolstatus(tools0)<<""<<toolstatus(tools1)<<""<<P2.find()<<print(&P2)<<endl;cout<<" "<<toolstatus(tools5)<<" "<<toolstatus(tools2)<<endl;cout<&

18、lt;P5.find()<<print(&P5)<<""<<toolstatus(tools4)<<""<<toolstatus(tools3)<<""<<P3.find()<<print(&P3)<<endl;cout<<""<<P4.find()<<print(&P4)<<""<<endl;cout<<"-"<<endl;cout<<"若要繼續(xù)下一狀態(tài)，輸入y；輸入其他，結(jié)束程序：&qu