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

五、原程序清单

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define N 5

#define LEFT(i) (i+N-1)%N

#define RIGHT(i) (i+1)%N

#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,