利用信号量机制解决哲学家进餐问题

利用信号量机制解决哲学家进餐问题
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
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
Y N
五、 原程序清单
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<assert.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/sem.h>
#include<assert.h>
#include<sys/shm.h>
#include<signal.h>
#include<stdlib.h>
#define N 5
#define LEFT(i) (i+N-1)%N
#define RIGHT(i) (i+1)%N
TKFK TEST PTFK
#define THINKING 0
#define EATING 1
//#include"behavior_philosophy.h"
void 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* , 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);
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);
}
}
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);
state[i] = THINKING;
test(i, state, sem_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)){
(*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);
}
void test(int i, char* state, int sem_phiid,void (*V)(int, int)){
if(state[i] == THINKING && state[LEFT(i)] != EATING && state[RIGHT(i)]!=EATING){
state[i] = EATING;
(*V)(sem_phiid, i);
}
}
void think(int i){
printf("philosopher:%d>>>>>is THINKING.\n", i);
}
void eat(int i){
printf("I'm philosopher:%d>>>>>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 sema_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;
semop(semid, &sema_buf, 1);
}
/*-----------------------------------------------------------*/
int main( )
{
/*-------------------------创建信号量操作----------------*/
int sem_phiid;
sem_phiid = semget(1008, 5, 0666|IPC_CREAT);
assert(sem_phiid>=0);
unsigned short array[5] = {0, 0, 0, 0, 0};
union semun{
int 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|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 faild!");
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("shmat faild!");
exit(1);
}
/*-----------------------------------------------*/
int i, phinum;
pid_t pid;
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, 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。