操作系統(tǒng)課程設計說明書--基于linux的進程之間通信

1、<p><b>　　操作系統(tǒng)課程設計</b></p><p><b>　　說 明 書</b></p><p>　　2015 年12月25日</p><p><b>　　需求分析</b></p><p>　　1.1小組的拿到的任務是：</p><p&

2、gt;<b>　　設計內(nèi)容：</b></p><p>　　(1)實現(xiàn)管道通信，要求見P183習題（3）。</p><p>　　(2)實現(xiàn)信號量通信機制，要求見P191習題（3）。</p><p>　　(3)實現(xiàn)消息緩沖通信機制，要求見P197習題。</p><p>　　(4)實現(xiàn)共享內(nèi)存區(qū)通信機制，要求見P201

3、習題（2）。</p><p><b>　　要求：</b></p><p>　　(1)用Linux中進程控制系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)來創(chuàng)建進程（線程）。</p><p>　　(2)輸出進程通信時同步的說明信息。</p><p>　　1.2小組分工我拿到的題目是：(2)實現(xiàn)信號量通信機制，要求見P191習題（3）。</p&g

4、t;<p>　　1.3題目的要求如下：</p><p>　　1.3.1.哲學家進餐問題描述：</p><p>　　設有5個哲學家，共享一張放有5把椅子和5把叉子的圓桌，每人分得一把椅子。哲學家們在肚子饑餓時才試圖分兩次從兩邊撿起兩把叉子就餐。</p><p><b>　　條件：</b></p><p>　　

5、1.每個人只有拿到兩把叉子時，哲學家才能吃飯</p><p>　　2.如果叉子已在他人手上，則哲學家必須等到他人吃完后才能拿起叉子</p><p>　　3.任性的哲學家在自己未拿到兩把叉子吃飯之前，絕不放下自己手中的叉子</p><p><b>　　1.3.2問題：</b></p><p>　　1.什么情況下5個哲學家全

6、部都吃不上飯？</p><p>　　答：當5個哲學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鄰居的叉子時，每個哲學家永遠拿不到兩把叉子，所有哲學家都在等待另一把叉子，就會導致這5個哲學家誰都吃不上飯。也就是產(chǎn)生死鎖后的情況。</p><p>　　2.編程實現(xiàn)沒有人餓死（永遠拿不到兩個叉子）的算法。</p><p>　　答：程序請看代

7、碼實現(xiàn)。</p><p>　　分析：沒有人餓死，就是不允許出現(xiàn)死鎖的情況（5個哲學家每人1把叉子）</p><p>　　1.3.3解決死鎖的方法有三種：</p><p>　　1.至多允許四位哲學家同時去拿左邊的叉子，最終保證至少有一位哲學家能夠進餐，并且在用畢時能釋放出他用過的兩只叉子，從而使更多哲學家能夠進餐；</p><p>　　2.規(guī)定

8、當哲學家的左右兩只叉子均可用時，才允許他拿起叉子進餐；</p><p>　　3.規(guī)定奇數(shù)號的哲學家先拿他左邊的叉子，然后再去拿他右邊的叉子，而偶數(shù)號哲學家則相反。五位哲學家都先競爭奇數(shù)號叉子，獲得后再競爭偶數(shù)號叉子，最終總有一位哲學家會因為獲得兩只叉子而進餐。</p><p>　　1.3.4我采用的解決死鎖問題的方法</p><p>　　我采用的解決死鎖的方法是第二

9、種，即在哲學家拿起叉子前先判斷他左右鄰居的情況，只要左右鄰居中有一位正在進餐（叉子已經(jīng)被鄰居拿到，鄰居進餐結(jié)束前自己無法獲得其叉子），就不允許其拿起叉子進餐，這就可以預防死鎖的情況發(fā)生。</p><p>　　1.4軟件需要完成的功能：</p><p>　　按照題目要求，需要調(diào)用Linux操作系統(tǒng)函數(shù)使用信號量機制完成對哲學家進餐問題的求解，要求所有哲學家都能吃到食物，并且要防止哲學家在競爭

10、叉子過程發(fā)生死鎖。</p><p>　　程序應該包含如下功能：</p><p>　　1.哲學家思考功能：哲學家在進餐前和進餐后處于思考狀態(tài)；</p><p>　　2.哲學家拿起叉子動能：哲學家進餐前需要拿起叉子，在這個過程中可能發(fā)生死鎖，所以要在這個功能中編寫防止死鎖的方法；</p><p>　　3.哲學家進餐功能：哲學家拿起叉子后開始進餐；

11、</p><p>　　4.哲學家放下叉子功能：哲學家用餐完畢，放下叉子，并通知其左右鄰居；</p><p>　　5.執(zhí)行P、V操作功能：由于要使用信號量機制，肯定會涉及到P、V操作</p><p>　　6.創(chuàng)建工作環(huán)境功能：包括建立共享內(nèi)存區(qū)、連接進程和共享內(nèi)存區(qū)、創(chuàng)建并初始化信號量集、創(chuàng)建子進程模擬5個哲學家等。</p><p>　　1.5

12、軟件設計的目的：</p><p>　　完成對哲學家進餐問題的求解，解決死鎖問題。 </p><p><b>　　1.6最終成果：</b></p><p>　　最終要提交的成果是：說明書、源程序（cpp文件）</p><p><b>　　總體設計</b></p><p>　　2

13、.1程序模塊結(jié)構(gòu)圖：</p><p>　　圖1 哲學家進餐問題程序模塊結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　2.2程序流程圖</b></p><p>　　2.2.1 總體流程圖</p><p>　　圖2 總體程序流程圖</p><p>　　2.2.2哲學家進餐問題解決方案流程圖</p>

14、<p>　　圖3 哲學家進餐問題解決方案流程圖</p><p><b>　　3．詳細設計</b></p><p>　　3.1 包含必要的頭文件</p><p>　　由于要調(diào)用Linux系統(tǒng)函數(shù)，所以要導入必要的頭文件，需要導入的頭文件如下：</p><p>　　3.2所有用到的常量、全局變量及宏定義</

15、p><p>　　3.3聯(lián)合體semun的定義</p><p>　　聯(lián)合體semun用于在對信號量設置和修改值的時候作為semctl函數(shù)的最后一個參數(shù)。</p><p>　　3.4創(chuàng)建并初始化工作環(huán)境模塊</p><p>　　3.4.1涉及到的Linux系統(tǒng)函數(shù)</p><p>　　在這個模塊中，涉及到很多Linux系統(tǒng)函數(shù)

16、的調(diào)用，以下是這些重要函數(shù)的解釋：</p><p>　?。?）shmget函數(shù)說明：</p><p>　　函數(shù)原型：int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg)</p><p>　　函數(shù)作用：得到一個共享內(nèi)存標識符或創(chuàng)建一個共享內(nèi)存對象并返回共享內(nèi)存標識符。</p><p><b>　

17、　參數(shù)含義：</b></p><p>　　key：0(IPC_PRIVATE)：會建立新共享內(nèi)存對象</p><p>　　大于0的32位整數(shù)：視參數(shù)shmflg來確定操作。 </p><p>　　size：大于0的整數(shù)：新建的共享內(nèi)存大小，以字節(jié)為單位</p><p>　　0：只獲取共享內(nèi)存時指定為0</p><

18、;p>　　shmflg：0：取共享內(nèi)存標識符，若不存在則函數(shù)會報錯</p><p>　　IPC_CREAT：當shmflg&IPC_CREAT為真時，如果內(nèi)核中不存在鍵值與key相等的共享內(nèi)存，則新建一個共享內(nèi)存；如果存在這樣的共享內(nèi)存，返回此共享內(nèi)存的標識符</p><p>　　IPC_CREAT|IPC_EXCL：如果內(nèi)核中不存在鍵值與key相等的共享內(nèi)存，則新建一個共享

19、內(nèi)存；如果存在這樣的共享內(nèi)存則報錯</p><p>　　返回值：成功：返回共享內(nèi)存的標識符 出錯：-1，錯誤原因存于error中</p><p>　?。?）shmat函數(shù)說明：</p><p>　　函數(shù)原型：void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg)</p><p>　　

20、函數(shù)作用：連接共享內(nèi)存標識符為shmid的共享內(nèi)存，連接成功后把共享內(nèi)存區(qū)對象映射到調(diào)用進程的地址空間，隨后可像本地空間一樣訪問</p><p>　　參數(shù)含義：shmid 共享內(nèi)存標識符</p><p>　　shmaddr 指定共享內(nèi)存出現(xiàn)在進程內(nèi)存地址的什么位置，直接指定為NULL讓內(nèi)核自己決定一個合適的地址位置</p><p>　　shmflg SHM_R

21、DONLY：為只讀模式，其他為讀寫模式</p><p>　　返回值 ：成功：附加好的共享內(nèi)存地址 出錯：-1，錯誤原因存于errno中</p><p>　?。?）semget函數(shù)說明：</p><p>　　函數(shù)原型:int semget(key_t key,int nsems,int semflg);</p><p>　　函數(shù)作用：獲取與

22、某個鍵關聯(lián)的信號量集標識</p><p>　　參數(shù)含義：key：所創(chuàng)建或打開信號量集的鍵值。</p><p>　　nsems：創(chuàng)建的信號量集中的信號量的個數(shù)，該參數(shù)只在創(chuàng)建信號量集時有效。</p><p>　　semflg：調(diào)用函數(shù)的操作類型</p><p>　　返回值：成功返回信號量集的IPC標識符，失敗返回-1</p>&l

23、t;p>　　（4）信號量操作模板sem_op定義：</p><p>　　struct sembuf{</p><p>　　unsigned short sem_num;</p><p>　　short sem_op;</p><p>　　short sem_flg;</p><p><b>　　};&l

24、t;/b></p><p>　　當sem_op.sem_op為-1時表示執(zhí)行P操作，sem_op為1時表示執(zhí)行V操作</p><p>　　3.4.2申請共享內(nèi)存區(qū)</p><p>　　3.4.3連接共享內(nèi)存區(qū)和進程</p><p>　　3.4.4創(chuàng)建信號量集并初始化信號量</p><p>　　3.5 實現(xiàn)P、V操

25、作</p><p>　　3.5.1涉及到的Linux系統(tǒng)函數(shù)</p><p>　　（1）semop函數(shù)說明：</p><p>　　函數(shù)原型：int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);</p><p>　　函數(shù)作用：對信號量執(zhí)行P、V操作</p><p

26、>　　參數(shù)含義：semid：信號集的識別碼，可通過semget獲取（semget返回值）。</p><p>　　sops： 信號量操作模板</p><p>　　nsops：信號操作結(jié)構(gòu)的數(shù)量，恒大于或等于1</p><p>　　返回值含義：操作結(jié)果，正常返回值為0，錯誤返回-1</p><p>　　3.5.2實現(xiàn)P操作</p>

27、;<p>　　3.5.3實現(xiàn)V操作</p><p>　　3.6實現(xiàn)哲學家進餐問題解決方案的主要算法</p><p>　　3.6.1涉及到的linux系統(tǒng)函數(shù)</p><p>　　（1）sleep函數(shù)</p><p>　　函數(shù)原型：sleep(unsigned long);</p><p>　　函數(shù)作用：執(zhí)

28、行掛起一段時間</p><p>　　注意：sleep()單位為秒</p><p>　　3.6.2實現(xiàn)哲學家思考功能</p><p>　　3.6.2實現(xiàn)哲學家進餐功能</p><p>　　3.6.3實現(xiàn)哲學家拿起叉子功能</p><p>　　3.6.3.1實現(xiàn)拿起叉子前的試探操作（防止死鎖算法）</p>&

29、lt;p>　　3.6.3.2實現(xiàn)拿起叉子功能</p><p>　　3.6.4實現(xiàn)放下叉子功能</p><p>　　3.6.5將上述功能整合起來</p><p>　　3.7將所有模塊連接在一起，形成一套完整的程序</p><p>　　為了方便最終的整合，將所有模塊的整合調(diào)用放進一個單獨的函數(shù)，供主函數(shù)調(diào)用，最終程序整合只需調(diào)用這個方法。&

30、lt;/p><p><b>　　3.8編寫主函數(shù)</b></p><p><b>　　3.9編寫菜單</b></p><p><b>　　3.10運行結(jié)果</b></p><p>　　使用終端編譯，結(jié)果如下：</p><p><b>　　4.心得體

31、會</b></p><p>　　通過本次課程設計我學到了很多，下面談一談我的收獲：</p><p>　?。?）團隊合作方面：本次課程設計過程中由于我們分工明確，任務下達清楚，大家都知道自己該做什么，都朝著正確的方向在努力，所以收到了比較好的效果，效率也較高，這使我明白了，在以后的分工合作過程中，合理的分工和明確的任務的重要性。</p><p>　?。?）

32、程序設計方面：本次課程設計過程中我遇到了很多挑戰(zhàn)：</p><p>　　首先是來自題目的挑戰(zhàn)，因為自己從來沒用過Linux操作系統(tǒng)，所以看到題目后很擔心自己會完不成任務，但是最后我還是下決心從0開始，網(wǎng)上的Linux版本花樣繁多，不知道該選擇那個號，歷經(jīng)很多次失敗后，終于成功從網(wǎng)上下載了Red Hat Enterprise Linux 6版本并安裝成功了程序的編譯環(huán)境（gcc）和運行環(huán)境（Eclipse C++）

33、,并成功編譯了Linux上的第一個C++程序。這次經(jīng)歷使我感受到了自學能力的重要性。在如今的環(huán)境下，IT技術(shù)更新速度飛快，所以自學能力就顯得尤為重要，這次自學安裝配置Linux環(huán)境，編譯自己寫的源代碼的過程中我感覺到Linux的用法和Mac OS X操作系統(tǒng)十分相似，很多操作是相通的，這也體現(xiàn)了知識之間是相互聯(lián)系的，因為Linux和Mac OS X操作系統(tǒng)使用的都是UNIX內(nèi)核，所以有所相似很正常。</p><p&g