操作系統(tǒng)課程設(shè)計——哲學(xué)家進餐問題

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1．設(shè)計題目與要求1</p><p>　　1.1實驗?zāi)康呐c設(shè)計要求1</p><p>　　1.2 初始條件1</p><p>　　2 總體設(shè)計思想及相關(guān)知識2</p><p>　　2.1總體設(shè)計思想2</p>

2、<p>　　2.2 臨界區(qū)互斥編程原理3</p><p>　　2.3開發(fā)環(huán)境與工具3</p><p>　　3數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與模塊說明4</p><p>　　3.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4</p><p>　　3.2程序各模塊流程圖5</p><p>　　3.2.1 主程序模塊5</p><p&g

3、t;　　3.2.2 狀態(tài)改變模塊6</p><p>　　3.2.3 返回哲學(xué)家狀態(tài)模塊7</p><p>　　3.2.4 返回餐具狀態(tài)模塊8</p><p>　　4. 源程序代碼9</p><p>　　5. 測試及結(jié)果14</p><p>　　6. 課設(shè)總結(jié)16</p><p>&

4、lt;b>　　參考文獻17</b></p><p><b>　　1．設(shè)計題目與要求</b></p><p>　　1.1實驗?zāi)康呐c設(shè)計要求</p><p>　　實驗?zāi)康模和ㄟ^實現(xiàn)哲學(xué)家進餐問題的同步深入了解和掌握進程同步和互斥的原理。</p><p>　　設(shè)計要求：哲學(xué)家有N個,也定全體到齊后開始討論:

5、在討論的間隙哲學(xué)家進餐,每人進餐時都需使用刀、叉各一把，所有哲學(xué)家刀和叉都拿到后才能進餐。哲學(xué)家的人數(shù)、餐桌上的布置自行設(shè)定，實現(xiàn)刀和叉的互斥使用算法的程序?qū)崿F(xiàn)。</p><p><b>　　1.2 初始條件</b></p><p>　　（1）操作系統(tǒng)：windows</p><p>　?。?）程序設(shè)計語言：C++</p><

6、;p>　?。?）設(shè)定圓桌上有六個哲學(xué)家，三對刀叉，如下圖擺放：</p><p>　　圖1-1 哲學(xué)家進餐問題設(shè)定圖</p><p>　　2 總體設(shè)計思想及相關(guān)知識</p><p><b>　　2.1總體設(shè)計思想</b></p><p>　　哲學(xué)家的生活就是思考和吃飯，即思考，餓了就餐，再思考，循環(huán)往復(fù)。要求是：每一

7、個哲學(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，不能強抓住餐具不放。</p><p>　　設(shè)計一個程序，能夠顯示當前各哲學(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)計一個能安排哲學(xué)家正常生活的程序。

8、</p><p>　　為哲學(xué)家設(shè)計3種狀態(tài)，即“等待”“進餐”“思考”。每個哲學(xué)家重復(fù)進行“等待”->“進餐”->“思考”的行動循環(huán)。其中：</p><p>　　“等待”->“進餐”：只有一個哲學(xué)家處于等待進餐狀態(tài)，且左右手兩邊的餐具都處于“空閑”狀態(tài)時，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。</p><p>　　“進

9、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”。</p><p>　　“思考”->“等待”：哲學(xué)家思考結(jié)束后，無條件轉(zhuǎn)入等待狀態(tài)。</p><p>　　由上所述，程序中應(yīng)設(shè)置6個元素的信號量數(shù)組，tools[6]，用來保持哲學(xué)家之間的同步。</p><p>　　2.2 臨界區(qū)互斥編程原理</p>

10、;<p>　　不論是硬件臨界資源，還是軟件臨界資源，多個進程必須互斥地對它進行訪問。每個進程中訪問臨界資源的那段代碼稱為臨界區(qū)（Critical Section）。 </p><p>　　每個進程中訪問臨界資源的那段程序稱為臨界區(qū)（Critical Section）（臨界資源是一次僅允許一個進程使用的共享資源）。每次只準許一個進程進入臨界區(qū)，進入后不允許其他進程進入。不論是硬件臨界資源，還是軟件臨界

11、資源，多個進程必須互斥地對它進行訪問。</p><p>　　本程序主要使用了EnterCriticalSection (&cs)和LeaveCriticalSection (&cs)兩個函數(shù)實現(xiàn)臨界區(qū)互斥。</p><p>　　EnterCriticalSection (&cs)用來進入臨界區(qū)，LeaveCriticalSection (&cs)用來離開臨界

12、區(qū)。</p><p>　　2.3開發(fā)環(huán)境與工具</p><p>　　系統(tǒng)平臺：WINDOW環(huán)境</p><p><b>　　實現(xiàn)語言：C++</b></p><p>　　開發(fā)工具：VC++6.0</p><p>　　3數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與模塊說明</p><p><b>　

13、　3.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　圖3-1 哲學(xué)家類的UML圖</p><p>　　程序中定義一個哲學(xué)家類，包含兩個私有對象和四個公有對象。</p><p>　　Number對象：報訊哲學(xué)家的編號。</p><p>　　Status對象：用于保存當前該哲學(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

14、吃飯，2表示正在思考</p><p>　　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</p><p>　　find() const方法：返回該哲學(xué)家編號</p><p>　　getinfo() const方法：返回哲學(xué)家當前狀態(tài)</p><p>　　Change()方法：根據(jù)題目要求改變哲學(xué)家的狀

15、態(tài)（等待->進餐->思考->等待…………）</p><p>　　另外，程序中包含一個公有對象，bool類型數(shù)組tools[6]，用來保存6把餐當前狀態(tài)：true表示該餐具當前空閑，false表示該餐具當前正被使用。</p><p>　　程序中還包含兩個公有函數(shù)：print和toolstatus。Print用來返回一個哲學(xué)家的狀態(tài)，toolstatus用來返回一個餐具的狀態(tài)

16、。</p><p>　　3.2程序各模塊流程圖</p><p>　　3.2.1 主程序模塊</p><p>　　圖3-2 主程序模塊流程圖</p><p>　　3.2.2 狀態(tài)改變模塊</p><p>　　圖3-3 狀態(tài)改變模塊Change()流程圖</p><p>　　3.2.3 返回哲學(xué)家狀

17、態(tài)模塊</p><p>　　圖3-4 返回哲學(xué)家狀態(tài)模塊print()流程圖</p><p>　　3.2.4 返回餐具狀態(tài)模塊</p><p>　　圖3-5 返回餐具狀態(tài)模塊toolstatus(bool a)流程圖</p><p><b>　　4. 源程序代碼</b></p><p>　　//

18、實驗?zāi)康模和ㄟ^實現(xiàn)哲學(xué)家進餐問題的同步深入了解和掌握進程同步和互斥的原理。</p><p>　　//設(shè)計要求：哲學(xué)家有N個，也定全體到達后開始討論：在討論的間隙哲學(xué)家進餐，</p><p>　　//每人進餐時都需使用刀、叉各一把，所有哲學(xué)家刀和叉都拿到后才能進餐。哲學(xué)家的人數(shù)、</p><p>　　//餐桌上的布置自行設(shè)定，實現(xiàn)刀和叉的互斥使用算法的程序?qū)崿F(xiàn)。<

19、;/p><p>　　#include <windows.h> </p><p>　　#include <time.h> </p><p>　　#include <string> </p><p>　　#include <iostream> </p><p>　　#includ

20、e <assert.h> </p><p>　　using namespace std; </p><p>　　bool tools[6];//全局變量，用餐工具</p><p>　　CRITICAL_SECTION cs; //信號量, 在線程中使用，臨界區(qū)</p><p>　　class Philosopher<

21、/p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　private: </b></p><p>　　int number;</p><p>　　int status; /*標記當前哲學(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*/</

22、p><p><b>　　public:</b></p><p>　　Philosopher(int num=0): status(2), number(num) { }</p><p>　　int find() const { return number; } </p><p>　　int getinfo() const

23、 { return status; } </p><p>　　void Change() ; //狀態(tài)改變函數(shù)</p><p><b>　　}; </b></p><p>　　void Philosopher::Change() </p><p><b>　　{ </b></p>

24、<p>　　EnterCriticalSection (&cs) ; //進入臨界區(qū)</p><p>　　if(status==1)//正在進餐</p><p><b>　　{</b></p><p>　　tools[number%6]=true; //放下左手工具</p><p>　　tools[

25、(number-1)%6]=true; //放下右手工具</p><p>　　status=2;//改變狀態(tài)為思考 </p><p><b>　　} </b></p><p>　　else if(status==2)//思考中</p><p><b>　　{ </b></p>

26、<p>　　status=0; //改變狀態(tài)為等待 </p><p><b>　　} </b></p><p>　　else if(status==0)//等待中 </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　if(tools[number%6]&&

27、;tools[(number-1)%6]) //左右手兩邊工具均為空閑狀態(tài)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　tools[number%6]=false; //拿起左手工具</p><p>　　tools[(number-1)%6]=false; //拿起右手工具</p><p>　　s

28、tatus=1; </p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　LeaveCriticalSection (&cs) ; </p><p><b>　　} </b></p><p>　　

29、string print(Philosopher *pA) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　//pA->Change(); </p><p>　　int i=pA->getinfo(); </p><p>　　string str; </p><p>&

30、lt;b>　　if(i==0) </b></p><p>　　str="等待"; </p><p>　　else if(i==1) </p><p>　　str="就餐"; </p><p>　　else str="思考"; </p><p>

31、;　　return str; </p><p><b>　　} </b></p><p>　　string toolstatus(bool a)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　string state;</p><p>　　if(a==true)

32、</p><p>　　state="閑";</p><p>　　if(a==false)</p><p>　　state="用";</p><p>　　return state;</p><p><b>　　}</b></p><p>

33、;　　int main() </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　char con = 'y'; //判斷是否繼續(xù)</p><p>　　for(int i=0;i<6;i++) </p><p>　　tools[i]=true; //3組刀叉都未使用，初始化</p&g

34、t;<p>　　Philosopher P1(1),P2(2),P3(3),P4(4),P5(5),P6(6); </p><p>　　InitializeCriticalSection (&cs) ; //初始化初始化臨界區(qū)</p><p>　　cout<<"-----------------------狀態(tài)說明示意圖：------------

35、-----------"<<endl;</p><p>　　cout<<""<<"哲學(xué)家0號的狀態(tài)"<<""<<endl;</p><p>　　cout<<"哲學(xué)家5號的狀態(tài)"<<"&quo

36、t;<<"叉3的狀態(tài)"<<""<<"刀1的狀態(tài)"<<""<<"哲學(xué)家1號的狀態(tài)"<<endl;</p><p>　　cout<<" "<<"刀3的狀態(tài)"<<

37、;" "<<"叉1的狀態(tài)"<<endl;</p><p>　　cout<<"哲學(xué)家4號的狀態(tài)"<<""<<"叉2的狀態(tài)"<<""<<"刀2的狀態(tài)"<<

38、;""<<"哲學(xué)家2號的狀態(tài)"<<endl;</p><p>　　cout<<""<<"哲學(xué)家3號的狀態(tài)"<<""<<endl;</p><p>　　cout<<"餐具的狀態(tài)，“用

39、”表示使用中，“閑”表示空閑中。"<<endl;</p><p>　　cout<<"--------------------------"<<endl;</p><p>　　cout<<"哲學(xué)家們開始生活："<<endl;</p><p>　　cout<

40、;<endl;</p><p>　　cout<<endl;</p><p>　　while(con=='y') </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　P1.Change();</p><p>　　P2.Change();</p&g

41、t;<p>　　P3.Change();</p><p>　　P4.Change();</p><p>　　P5.Change();</p><p>　　P6.Change();</p><p>　　cout<<"當前狀態(tài)為："<<endl;</p><p>　

42、　cout<<""<<P1.find()<<print(&P1)<<""<<endl;</p><p>　　cout<<P6.find()<<print(&P6)<<""<<toolstatus(tools[0])&

43、lt;<""<<toolstatus(tools[1])<<""<<P2.find()<<print(&P2)<<endl;</p><p>　　cout<<" "<<toolstatus(tools[5])<<"

44、 "<<toolstatus(tools[2])<<endl;</p><p>　　cout<<P5.find()<<print(&P5)<<""<<toolstatus(tools[4])<<""<<toolstatus(tools[3])

45、<<""<<P3.find()<<print(&P3)<<endl;</p><p>　　cout<<""<<P4.find()<<print(&P4)<<""<<endl;</p><p>

46、　　cout<<"--------------------------"<<endl;</p><p>　　cout<<"若要繼續(xù)下一狀態(tài)，輸入y；輸入其他，結(jié)束程序：";</p><p><b>　　cin>>con;</b></p><p>　　Slee

47、p(20); </p><p><b>　　} </b></p><p>　　DeleteCriticalSection (&cs) ; //退出資源區(qū)</p><p>　　return 0; </p><p><b>　　}</b></p><p><b>

48、;　　5. 測試及結(jié)果</b></p><p>　　圖5-1 程序運行開始界面</p><p>　　圖5-2 哲學(xué)家狀態(tài)1</p><p>　　圖5-3 哲學(xué)家狀態(tài)2</p><p>　　圖5-4 哲學(xué)家狀態(tài)3</p><p>　　圖5-5 哲學(xué)家狀態(tài)4</p><p><b&

49、gt;　　圖5-6 退出程序</b></p><p><b>　　6. 課設(shè)總結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過了前后共2周的時間，我完成了這次課程設(shè)計。</p><p>　　通過這次課程設(shè)計，我學(xué)到了許多課本上學(xué)不到的知識，注意到了許多課本上沒有提到的東西。</p><p>　　而且，通過這次設(shè)計，我得到

50、了一個很好的理論聯(lián)系實際的機會，鍛煉了通過理論解決實際問題的能力。正所謂“實踐出真知”，有些代碼看上去沒什么問題，但是實際運行起來就是不出正確結(jié)果。代碼內(nèi)部可能存在邏輯或語法等方面我們平時不會注意到的小問題，通過這次課程設(shè)計，我積累了不少這樣小問題的解決方法。</p><p>　　設(shè)計中總會遇到這樣那樣的問題，遇到問題勢必要自己分析問題，通過各種渠道解決問題，比如利用互聯(lián)網(wǎng)。這次課程設(shè)計也加強了我上網(wǎng)查數(shù)檢索問題