操作系统课程设计说明书 基于Linux的进程之间通信

中北大学

操作系统课程设计

说明书

学院、系：软件学院

专业：软件工程

学生姓名：学号：

设计题目：基于Linux的进程之间通信

实现信号量通信机制（哲学家进餐）起迄日期: 2015年12月28日- 2016年1月8日

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2015 年12月25日

1需求分析

1.1小组的拿到的任务是：

设计内容：

(1) 实现管道通信，要求见P183习题（3）。

(2) 实现信号量通信机制，要求见P191习题（3）。

(3) 实现消息缓冲通信机制，要求见P197习题。

(4) 实现共享内存区通信机制，要求见P201习题（2）。

要求：

(1) 用Linux中进程控制系统调用函数来创建进程（线程）。

(2) 输出进程通信时同步的说明信息。

1.2小组分工我拿到的题目是：(2) 实现信号量通信机制，要求见P191习题（3）。

1.3题目的要求如下：

1.3.1.哲学家进餐问题描述：

设有5个哲学家，共享一张放有5把椅子和5把叉子的圆桌，每人分得一把椅子。哲学家们在肚子饥饿时才试图分两次从两边捡起两把叉子就餐。

条件：

1.每个人只有拿到两把叉子时，哲学家才能吃饭

2.如果叉子已在他人手上，则哲学家必须等到他人吃完后才能拿起叉子

3.任性的哲学家在自己未拿到两把叉子吃饭之前，绝不放下自己手中的叉子

1.3.2问题：

1.什么情况下5个哲学家全部都吃不上饭？

答：当5个哲学家每人手中都拿到了1把叉子（共5把），即不肯放下自己手中的叉子又想要得到左右邻居的叉子时，每个哲学家永远拿不到两把叉子，所有哲学家都在等待另一把叉子，就会导致这5个哲学家谁都吃不上饭。也就是产生死锁后的情况。

2.编程实现没有人饿死（永远拿不到两个叉子）的算法。

答：程序请看代码实现。

分析：没有人饿死，就是不允许出现死锁的情况（5个哲学家每人1把叉子）

1.3.3解决死锁的方法有三种：

1.至多允许四位哲学家同时去拿左边的叉子，最终保证至少有一位哲学家能够进餐，并且在用毕时能释放出他用过的两只叉子，从而使更多哲学家能够进餐；

2.规定当哲学家的左右两只叉子均可用时，才允许他拿起叉子进餐；

3.规定奇数号的哲学家先拿他左边的叉子，然后再去拿他右边的叉子，而偶数号哲学家则相反。五位哲学家都先竞争奇数号叉子，获得后再竞争偶数号叉子，最终总有一位哲学家会因为获得两只叉子而进餐。

1.3.4我采用的解决死锁问题的方法

我采用的解决死锁的方法是第二种，即在哲学家拿起叉子前先判断他左右邻居的情况，只要左右邻居中有一位正在进餐（叉子已经被邻居拿到，邻居进餐结束前自己无法获得其叉子），就不允许其拿起叉子进餐，这就可以预防死锁的情况发生。

1.4软件需要完成的功能：

按照题目要求，需要调用Linux操作系统函数使用信号量机制完成对哲学家进餐问题的求解，要求所有哲学家都能吃到食物，并且要防止哲学家在竞争叉子过程发生死锁。

程序应该包含如下功能：

1.哲学家思考功能：哲学家在进餐前和进餐后处于思考状态；

2.哲学家拿起叉子动能：哲学家进餐前需要拿起叉子，在这个过程中可能发生死锁，所以要在这个功能中编写防止死锁的方法；

3.哲学家进餐功能：哲学家拿起叉子后开始进餐；

4.哲学家放下叉子功能：哲学家用餐完毕，放下叉子，并通知其左右邻居；

5.执行P、V操作功能：由于要使用信号量机制，肯定会涉及到P、V操作

6.创建工作环境功能：包括建立共享内存区、连接进程和共享内存区、创建并初始化信号量集、创建子进程模拟5个哲学家等。

1.5软件设计的目的：

完成对哲学家进餐问题的求解，解决死锁问题。

1.6最终成果：

最终要提交的成果是：说明书、源程序（cpp文件）

2总体设计

2.1程序模块结构图：

图1 哲学家进餐问题程序模块结构图2.2程序流程图

2.2.1 总体流程图

开始

申请共享内存区

失败

申请是否成功

成功

连接共享内存区和进程

失败

连接是否成功

成功

创建信号量集并初始化信号量

创建N个子进程

失败

创建是否成功

成功

执行哲学家进餐问题解决方案

结束

图2 总体程序流程图

2.2.2哲学家进餐问题解决方案流程图

图3 哲学家进餐问题解决方案流程图

3．详细设计

3.1 包含必要的头文件

由于要调用Linux系统函数，所以要导入必要的头文件，需要导入的头文件如下：

3.2所有用到的常量、全局变量及宏定义

3.3联合体semun的定义

联合体semun用于在对信号量设置和修改值的时候作为semctl函数的最后一个参数。

3.4创建并初始化工作环境模块

3.4.1涉及到的Linux系统函数

在这个模块中，涉及到很多Linux系统函数的调用，以下是这些重要函数的解释：（1）shmget函数说明：

函数原型：int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg)

函数作用：得到一个共享内存标识符或创建一个共享内存对象并返回共享内存标识符。

参数含义：

key：0(IPC_PRIVATE)：会建立新共享内存对象

大于0的32位整数：视参数shmflg来确定操作。

size：大于0的整数：新建的共享内存大小，以字节为单位

0：只获取共享内存时指定为0

shmflg：0：取共享内存标识符，若不存在则函数会报错

IPC_CREAT：当shmflg&IPC_CREAT为真时，如果内核中不存在键值与key相等的共享内存，则新建一个共享内存；如果存在这样的共享内存，返回此共享内存的标识符 IPC_CREAT|IPC_EXCL：如果内核中不存在键值与key相等的共享内存，则新建一个共享内存；如果存在这样的共享内存则报错

返回值：成功：返回共享内存的标识符出错：-1，错误原因存于error中

（2）shmat函数说明：

函数原型：void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg)

函数作用：连接共享内存标识符为shmid的共享内存，连接成功后把共享内存区对象映射到调用进程的地址空间，随后可像本地空间一样访问

参数含义：shmid 共享内存标识符

shmaddr 指定共享内存出现在进程内存地址的什么位置，直接指定为NULL让内核自己决定一个合适的地址位置

shmflg SHM_RDONLY：为只读模式，其他为读写模式

返回值：成功：附加好的共享内存地址出错：-1，错误原因存于errno中