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

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1．設(shè)計(jì)題目與要求1</p><p><b>　　1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?</b></p><p>　　1.3 初始條件1</p><p>　　2 總體設(shè)計(jì)思想及相關(guān)知識2</p><p>　　2.1總體設(shè)計(jì)思想

2、2</p><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</

3、p><p>　　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&g

4、t;<p><b>　　參考文獻(xiàn)17</b></p><p><b>　　1．設(shè)計(jì)題目與要求</b></p><p><b>　　1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?lt;/b></p><p>　　通過實(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</p><

5、p>　　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)。</p><p><b>　　1.3 初始條件</b></p><p>　?。?）操作系統(tǒng)：windows</p><p>　?。?

6、）程序設(shè)計(jì)語言：C++</p><p>　?。?）設(shè)定圓桌上有六個(gè)哲學(xué)家，三對刀叉，如下圖擺放：</p><p>　　圖1-1 哲學(xué)家進(jìn)餐問題設(shè)定圖</p><p>　　2 總體設(shè)計(jì)思想及相關(guān)知識</p><p><b>　　2.1總體設(shè)計(jì)思想</b></p><p>　　哲學(xué)家的生活就是思考和吃

7、飯，即思考，餓了就餐，再思考，循環(huán)往復(fù)。要求是：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。</p><p>　　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

8、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。</p><p>　　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：</p><p>　　“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

9、。</p><p>　　“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”。</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(gè)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&g

10、t;　　2.2 臨界區(qū)互斥編程原理</p><p>　　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）。 </p><p>　　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 Section）（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

11、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)程必須互斥地對它進(jìn)行訪問。</p><p>　　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。</p><p>　　EnterCriticalSection (&cs)用來進(jìn)入臨界區(qū)，LeaveCriti

12、calSection (&cs)用來離開臨界區(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(shí)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</

13、p><p><b>　　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(gè)哲學(xué)家類，包含兩個(gè)私有對象和四個(gè)公有對象。</p><p>　　Number對象：報(bào)訊哲學(xué)家的編號。</p><p>　　Status對象：用于保存當(dāng)前該哲學(xué)家的狀態(tài)

14、，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</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(dāng)前狀態(tài)</p><p>

15、　　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…………）</p><p>　　另外，程序中包含一個(gè)公有對象，bool類型數(shù)組tools[6]，用來保存6把餐當(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。</p><p>　　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)

16、家的狀態(tài)，toolstatus用來返回一個(gè)餐具的狀態(tài)。</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>

17、;<p>　　3.2.3 返回哲學(xué)家狀態(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>

18、;</p><p>　　//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。</p><p>　　//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，</p><p>　　//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)、</p><p>　　//餐桌上的布置

19、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)。</p><p>　　#include <windows.h> </p><p>　　#include <time.h> </p><p>　　#include <string> </p><p>　　#include <iostream> <

20、/p><p>　　#include <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&

21、gt;　　class Philosopher</p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　private: </b></p><p>　　int number;</p><p>　　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

22、示得到兩支筷子正在吃飯,2表示正在思考*/</p><p><b>　　public:</b></p><p>　　Philosopher(int num=0): status(2), number(num) { }</p><p>　　int find() const { return number; } </p><

23、p>　　int getinfo() const { 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>

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

25、;/p><p>　　tools[(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>

26、;　　{ </b></p><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>　　i

27、f(tools[number%6]&&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

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

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

30、tr; </p><p><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&q

31、uot;; </p><p>　　return str; </p><p><b>　　} </b></p><p>　　string toolstatus(bool a)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　string state;</p&g

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

33、/b></p><p>　　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]=tr

34、ue; //3組刀叉都未使用，初始化</p><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<<"-----------------

35、------狀態(tài)說明示意圖：-----------------------"<<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)

36、"<<""<<"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<<" "<&l

37、t;"刀3的狀態(tài)"<<" "<<"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)"<<""<&l

38、t;"刀2的狀態(tài)"<<""<<"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>　　

39、cout<<"餐具的狀態(tài)，“用”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;<

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

41、>　　P2.Change();</p><p>　　P3.Change();</p><p>　　P4.Change();</p><p>　　P5.Change();</p><p>　　P6.Change();</p><p>　　cout<<"當(dāng)前狀態(tài)為："<<e

42、ndl;</p><p>　　cout<<""<<P1.find()<<print(&P1)<<""<<endl;</p><p>　　cout<<P6.find()<<print(&P6)<<""<

43、;<toolstatus(tools[0])<<""<<toolstatus(tools[1])<<""<<P2.find()<<print(&P2)<<endl;</p><p>　　cout<<" "<<toolstatus(t

44、ools[5])<<" "<<toolstatus(tools[2])<<endl;</p><p>　　cout<<P5.find()<<print(&P5)<<""<<toolstatus(tools[4])<<""&l

45、t;<toolstatus(tools[3])<<""<<P3.find()<<print(&P3)<<endl;</p><p>　　cout<<""<<P4.find()<<print(&P4)<<""<<

46、endl;</p><p>　　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>&

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

48、;/p><p><b>　　5. 測試及結(jié)果</b></p><p>　　圖5-1 程序運(yùn)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&

49、lt;/p><p><b>　　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(shí)間，我完成了這次課程設(shè)計(jì)。</p><p>　　通過這次課程設(shè)計(jì)，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>

50、<p>　　而且，通過這次設(shè)計(jì)，我得到了一個(gè)很好的理論聯(lián)系實(shí)際的機(jī)會(huì)，鍛煉了通過理論解決實(shí)際問題的能力。正所謂“實(shí)踐出真知”，有些代碼看上去沒什么問題，但是實(shí)際運(yùn)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(shí)不會(huì)注意到的小問題，通過這次課程設(shè)計(jì)，我積累了不少這樣小問題的解決方法。</p><p>　　設(shè)計(jì)中總會(huì)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

51、如利用互聯(lián)網(wǎng)。這次課程設(shè)計(jì)也加強(qiáng)了我上網(wǎng)查數(shù)檢索問題的能力。有些時(shí)候，學(xué)習(xí)到的知識是次要的，重要的是學(xué)習(xí)知識的方法。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]宗大華，宗濤，陳吉人著. 操作系統(tǒng). 北京：人民郵電出版社，2009</p><p>　　[2]李愛華，程磊著. 面相對象程序設(shè)計(jì)（C++語言）. 北京: