操作系统课程设计-哲学家进餐问题.doc

操作系统课程设计-哲学家进餐问题

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2020年4月19日
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潍坊学院计算机工程学院
课程设计说明书

课程名称：____操作系统课程设计 _________________

设计项目：____哲学家就餐问题____________________

学生姓名：_____XXXXXX _________________________

学 号：______XX_____________________

专 业：______计算机科学与技术________________

班 级：______一班___________________________

指导教师：_______王红___________________________

_ __3___月

一、任务与具体要求
哲学家有N个，规定全体到齐后开始讨论，在讨论的间隙哲学家进餐，每人进餐时都需使用刀、叉合一把，所有哲学家刀和叉都拿到后才能进餐。哲学家的人数、餐桌上的布置自行设定，实现刀和叉的互斥使用算法的程序实现。
二、设计说明书包括的内容
1.需求分析2.系统概要设计3.系统详细设计4.系统的主要源代码5.系统测试及调试6.总结7.主要参考文献

三、 应完成的图纸

四、 评语及成绩

指导教师（签字）_____________
________年____月____日
目录

一、需求分析 1

二、系统概要设计 2

三、系统详细设计 3

四、系统的主要源代码 4

五、系统测试及调试 9

六、总结 13

七、主要参考文献 13

一、需求分析
有一个故事是这样的：假设有五位哲学家围坐在一张圆形餐桌旁，做以下两件事情之一：吃饭，或者思考。吃东西的时候，她们就停止思考，思考的时候也停止吃东西。餐桌中间有一大碗意大利面，每两个哲学家之间有一只餐叉。因为用一只餐叉很难吃到意大利面，因此假设哲学家必须用两只餐叉吃东西。她们只能使用自己左右手边的那两只餐叉。
上边的故事里有五个哲学家(不过我们写的程序能够有N个哲学家)，这些哲学家们只思考或吃饭，她们思考的时候不需要任何共享资源，可是吃饭的时候就必须使用餐具，而餐桌上的餐具是有限的，故事里，餐具是叉子，吃饭的时候要用两把叉子把面条从碗里捞出来。很显然把叉子换成筷子会更合理，因为一个哲学家需要两根筷子才能吃饭。
1
A A

6 2

A A

5 3
A 4 A
1、2、3、4、5、6为哲学家 A为一根筷子

4
现在引入问题：有六个哲学家很穷，只买得起六根筷子。她们坐成一圈，两个人的中间放一根筷子。哲学家吃饭的时候必须同时得到左手边和右手边的筷子。如果她身边的任何一位正在使用筷子，那她只有等着。如下图：

以上就为我们要处理的哲学家就餐问题，接下来将编写程序模拟解决这个问题。

二、系统概要设计

2.1设计一个程序，能够显示当前各哲学家的状态和桌上餐具的使用情况，并能无死锁的推算出一状态各哲学家的状态和桌上餐具的使用情况。即设计一个能安排哲学家正常生活的程序。
为哲学家设计3种状态，即“等待”“进餐”“思考”。每个哲学家重复进行“等待”->“进餐”->“思考”的行动循环。其中：“等待”->“进餐”：只有一个哲学家处于等待进餐状态，且左右手两边的餐具都处于“空闲”状态时，能够发生这种状态改变。此状态改变发生后，哲学家拿起左右手两边的餐具。“进餐”->“思考”：此状态改变发生后，哲学家放下左右手上的餐具。餐具状态由“使用中”转变为“空闲”。“思考”->“等待”：哲学家思考结束后，无条件转入等待状态。由上所述，程序中应设置6个元素的信号量数组用来保持哲学家之间的同步。
2.2系统平台、语言及工具
（1）操作系统：Windows
（2）程序设计语言：C++
（3）工具：VC++6.0
2.3不论是硬件临界资源，还是软件临界资源，多个进程必须互斥地对它进行访问。每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区（Critical Section）。每个进程中访问临界资源的那段程序称为临界区（Critical Section）（临界资源是一次仅允许一个进程使用的共享资源）。每次只准许一个进程进入临界区， 进入后不允许其它进程进入。不论是硬件临界资源，还是软件临界资源，多个进程必须互斥地对它进行访问。
三、系统详细设计

定义信号量
开始
定义哲学家类对象
哲学家们的状态发生改变
输出当前状态图
停止程序？
结束

否

是
程序中定义一个哲学家类，包含两个私有对象和四个公有对象。
Number对象： 哲学家的编号。
Status 对象： 用于保存当前该哲学家的状态，0表示正在等待（即处于饥饿状态）1表示得到筷子正在吃饭，2表示正在思考
Philosopher(int num)方法： 哲学家类构造函数，参数num表示哲学家编号
find() const方法： 返回该哲学家编号
getinfo() const方法： 返回哲学家当前状态
Change()方法： 根据题目要求改变哲学家的状态（等待->进餐->思考->等待…………）
另外，程序中包含一个公有对象，bool类型数组tools[6]，用来保存6根筷子当前状态：true表示该筷子当前空闲，false表示该筷子当前正被使用。
程序中还包含两个公有函数：print和toolstatus。Print用来返回一个哲学家的状态，toolstatus用来返回一根筷子的状态。

四、系统的主要源代码

#include <windows.h>
#include <time.h>
#include <string>
#include <iostream>
#include <assert.h>

using namespace std; //控制活动线程数目的信号量（保护线程共享资源）

bool tools[6]; //全局变量，用餐工具

CRITICAL_SECTION cs; //信号量, 在线程中使用，临界区

class Philosopher
{
private:
int number;
int status; /*标记当前哲学家的状态,0表示正在等待(即处于饥饿状态),1表示得到两支筷子正在吃饭,2表示正在思考*/

public:
Philosopher(int num=0): status(2), number(num) { }
int find() const { return number; }
int getinfo() const { return status; }
void Change() ; //状态改变函数
};

void Philosopher::Change()
{
EnterCriticalSection (&cs) ; //进入临界区
if(status==1) //正在进餐
{
tools[number%6]=true; //放下左手工具
tools[(number-1)%6]=true; //放下右手工具
status=2; //改变状态为思考
}
else if(status==2) //思考中
{
status=0; //改变状态为等待
}
else if(status==0) //等待中
{

if(tools[number%6]&&tools[(number-1)%6]) //左右手两边工具均为空闲状态
{
tools[number%6]=false; //拿起左手工具
tools[(number-1)%6]=false; //拿起右手工具
status=1;
}
}

LeaveCriticalSection (&cs) ;
}

string print(Philosopher *pA)
{
//pA->Change();
int i=pA->getinfo();
string str;
if(i==0)
str="等待";
else if(i==1)
str="就餐";
else str="思考";
return str;
}

string toolstatus(bool a)
{
string state;
if(a==true)
state="闲";
if(a==false)
state="用";
return state;
}

int main()
{
char con = 'y'; //判断是否继续

for(int i=0;i<6;i++)
tools[i]=true; //3组筷子都未使用，初始化

Philosopher P1(1),P2(2),P3(3),P4(4),P5(5),P6(6);

InitializeCriticalSection (&cs) ; //初始化初始化临界区

cout<<"哲学家们开始生活："<<endl;
cout<<endl;
cout<<endl;

while(con=='y')
{
P1.Change();
P2.Change();
P3.Change();
P4.Change();
P5.Change();
P6.Change();
cout<<"当前状态为："<<endl;
cout<<" "<<P1.find()<<print(&P1)<<" "<<endl;
cout<<P6.find()<<print(&P6)<<" "<<toolstatus(tools[0])<<" "<<toolstatus(tools[1])<<" "<<P2.find()<<print(&P2)<<endl;
cout<<" "<<toolstatus(tools[5])<<" "<<toolstatus(tools[2])<<endl;
cout<<P5.find()<<print(&P5)<<" "<<toolstatus(tools[4])<<" "<<toolstatus(tools[3])<<" "<<P3.find()<<print(&P3)<<endl;
cout<<" "<<P4.find()<<print(&P4)<<" "<<endl;
cout<<"--------------------------"<<endl;
cout<<"若要继续下一状态，输入y；输入其它，结束程序：";
cin>>con;
Sleep(20);
}
DeleteCriticalSection (&cs) ; //退出资源区
return 0;
}

五、系统测试及调试

初始状态

状态一

状态二

状态三

状态四

状态五

退出

六、总结
经过这次课程设计，我学到了许多课本上学不到的知识，注意到了许多课本上没有提到的东西，而且使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对一些前面学过的知识理解得不够深刻的，经过这一个星期的课程设计，经过程序的编写发现有了进一步的理解，其中也明白了很多道理，哲学家进餐问题从理论上讲很容易，就6个人只有6个筷子，要实现她们吃通心面的有序性，但要用程序来模拟远非文字的叙述那么简单，但还是能够实现的，尽管不是很容易的实现了。其中蕴含哲理，只要能用想出来，就能够用程序把她编处理。设计中总会遇到这样那样的问题，遇到问题势必要自己分析问题，经过各种渠道解决问题，比如利用互联网。这次课程设计也加强了我上网查数检索问题的能力。有些时候，学习到的知识是次要的，重要的是学习知识的方法。
七、主要参考文献

[1] 王红主编 操作系统原理及应用（Linux）清华大学出版社，
[2] 李爱华，程磊著 面相对象程序设计（C++语言）清华大学出版社，
[3] 梁红兵，汤小丹，汤子瀛 计算机操作系统学习指导与题解（第二版）西安电子科技
大学出版社, .