操作系统实验

2023-07-06 03:11| 来源: 网络整理| 查看: 265

一、实验目的：

（1）实现哲学家就餐问题，要求不能出现死锁。

（2）通过本实验熟悉Linux系统的基本环境，了解Linux下进程和线程的实现。

二、实验原理：

（1）问题描述：五个哲学家共用一张圆桌，分别坐在周围的五张椅子上，在圆桌上有五个碗和五只筷子，他们的生活方式是交替地进行思考和进餐。平时，一个哲学家进行思考，饥饿时便试图取其左右最靠近它的筷子，只有他拿到两只筷子时才能进餐。进餐毕，放下筷子继续思考。

（2）拿起筷子和放下筷子的操作如何实现：筷子是临界资源，拿起筷子操作就哲学家（不同任务）之间是对临界资源的互斥访问，放下筷子就是对临界资源的释放，在Linux中可以通过多种机制来实现：

1）互斥量（加锁，解锁），适用于线程

2）POSIX信号量（P操作，V操作），无名信号量适用于线程，命名信号量适用于进程/线程

3）XSI信号量集（P操作，V操作），同时适用于进程与线程

（3）预防死锁的实现方法:破坏“循环等待条件”，对哲学家编号，奇偶号哲学家拿起筷子的顺序不同。规定：奇数编号哲学家先拿左边筷子再拿右边筷子，偶数编号哲学家先拿右边筷子再拿左边筷子。

（4）避免死锁的实现方法：再创建一个任务，哲学家拿起筷子时向该任务发起申请，由该任务对当前筷子的分配情况进行判断，判定系统是否由安全状态向不安全状态转换，从而允许或拒绝该次申请

三、实验内容：

（1）在linux系统下实现教材2.5.2节中所描述的哲学家就餐问题。要求显示出每个哲学家的工作状态，如吃饭，思考。连续运行30次以上都未出现死锁现象。

（2）熟悉Ubuntu系统下的多线程编程。

1）使用“Ctrl+Alt+T”打开终端；

2）使用gedit或vim命令打开文本编辑器进行编码 “gedit 文件名.c”

3）编译程序： “gcc 文件名.c -o 可执行程序名”（如果只输入gcc 文件名.c，默认生成可执行程序名为a.out）使用线程库时，gcc编译需要添加-lpthread

4）执行程序：./可执行程序名

四、实验器材（设备、元器件）：

学生每人一台PC，安装Windows8操作系统。个人PC安装VMware虚拟机和Ubuntu系统。

五、实验步骤：

（1）在Ubuntu系统中使用“Ctrl+Alt+T”打开终端；

（2）使用vim命令打开文本编辑器进行编码 “vim lab1.c”

（3）编写lab.c源程序实现哲学家就餐问题

（4）编译程序：“gcc lab1.c -o test”

（5）执行程序：./test

六、具体代码

为解决哲学家就餐问题中出现死锁的情况，从0开始依次对每个哲学家进行编号，并规定：奇数编号哲学家先拿左边筷子再拿右边筷子，偶数编号哲学家先拿右边筷子再拿左边筷子，这样就不会出现死锁现象了，奇偶编号预防死锁发生代码如下所示：

#include #include #include #include // 利用互斥量实现哲学家就餐问题 //规定奇数哲学家先拿左边筷子再拿右边筷子，偶数哲学家先拿右边筷子再拿左边筷子 pthread_mutex_t chopstick[5]; // 定义互斥量 void *func(void*);// 线程函数 void init(); int main(){ init();//初始化互斥量 pthread_t p1,p2,p3,p4,p5; // 定义哲学家 pthread_create(&p1,NULL,func,"0"); pthread_create(&p2,NULL,func,"1"); pthread_create(&p3,NULL,func,"2"); pthread_create(&p4,NULL,func,"3"); pthread_create(&p5,NULL,func,"4"); pthread_join(p1,NULL); pthread_join(p2,NULL); pthread_join(p3,NULL); pthread_join(p4,NULL); pthread_join(p5,NULL); return 0; } void init(){ int i = 0; for(;i < 5; i++){ chopstick[i] = (pthread_mutex_t)PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; } } void *func(void *arg){ int i = 0; int num = atoi((char *)arg); do{ printf("哲学家%d正在思考\n",num + 1); sleep(1); if(num % 2 == 0){ //偶数哲学家 pthread_mutex_lock(&chopstick[(num + 1) % 5]); pthread_mutex_lock(&chopstick[num]); printf("哲学家%d正在就餐\n",num + 1); sleep(1); pthread_mutex_unlock(&chopstick[(num + 1) % 5]); pthread_mutex_unlock(&chopstick[num]); } else{ //奇数哲学家 pthread_mutex_lock(&chopstick[num]); pthread_mutex_lock(&chopstick[(num + 1) % 5]); printf("哲学家%d正在就餐\n",num + 1); sleep(1); pthread_mutex_unlock(&chopstick[num]); pthread_mutex_unlock(&chopstick[(num + 1) % 5]); } i++; } while(i < 30); }

七、总结及心得体会：

通过本次实验，我熟悉了Linux系统的基本环境，了解了如何在Linux下实现线程的创建、终止以及互斥量的初始化、上锁、解锁、销毁。同时也能够利用Linux的线程、互斥量机制实现哲学家就餐问题，并且知道了如何能够是程序不出现死锁现象。

八、对本实验过程及方法、手段的改进建议：

本实验也可使用破坏“请求和保持条件”的方法来使得程序不出现死锁，即哲学家如果无法同时拿起两支筷子，则放下已经拿起的筷子，等待一段时间再尝试，利用POSIX API中的非阻塞操作pthread_mutex_trylock实现对能否拿起筷子的判断。相较于为每个哲学家编号，上述方法更容易理解与实现，破坏请求和保持条件预防死锁代码如下所示：

#include #include #include #include // 利用互斥量实现哲学家就餐问题 pthread_mutex_t chopstick[5]; // 定义互斥量 void *philosopher1(void);// 哲学家1 void *philosopher2(void);// 哲学家2 void *philosopher3(void);// 哲学家3 void *philosopher4(void);// 哲学家4 void *philosopher5(void);// 哲学家5 void init(); int main(){ init();//初始化互斥量 pthread_t p1,p2,p3,p4,p5; pthread_create(&p1,NULL,(void*)philosopher1,NULL); pthread_create(&p2,NULL,(void*)philosopher2,NULL); pthread_create(&p3,NULL,(void*)philosopher3,NULL); pthread_create(&p4,NULL,(void*)philosopher4,NULL); pthread_create(&p5,NULL,(void*)philosopher5,NULL); pthread_join(p1,NULL); pthread_join(p2,NULL); pthread_join(p3,NULL); pthread_join(p4,NULL); pthread_join(p5,NULL); } void init(){ int i = 0; for(;i < 5; i++){ chopstick[i] = (pthread_mutex_t)PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; } } void *philosopher1(void){ int i = 0; do{ printf("哲学家1正在思考\n"); sleep(1); pthread_mutex_trylock(&chopstick[0]); if(pthread_mutex_trylock(&chopstick[1]) != 0){ pthread_mutex_unlock(&chopstick[0]); continue; } printf("哲学家1正在就餐\n"); sleep(1); pthread_mutex_unlock(&chopstick[0]); pthread_mutex_unlock(&chopstick[1]); i++; } while(i < 30); } void *philosopher2(void){ int i = 0; do{ printf("哲学家2正在思考\n"); sleep(1); pthread_mutex_trylock(&chopstick[1]); if(pthread_mutex_trylock(&chopstick[2]) != 0){ pthread_mutex_unlock(&chopstick[1]); continue; } printf("哲学家2正在就餐\n"); sleep(1); pthread_mutex_unlock(&chopstick[1]); pthread_mutex_unlock(&chopstick[2]); i++; } while(i < 30); } void *philosopher3(void){ int i = 0; do{ printf("哲学家3正在思考\n"); sleep(1); pthread_mutex_trylock(&chopstick[2]); if(pthread_mutex_trylock(&chopstick[3]) != 0){ pthread_mutex_unlock(&chopstick[2]); continue; } printf("哲学家3正在就餐\n"); sleep(1); pthread_mutex_unlock(&chopstick[2]); pthread_mutex_unlock(&chopstick[3]); i++; } while(i < 30); } void *philosopher4(void){ int i = 0; do{ printf("哲学家4正在思考\n"); sleep(1); pthread_mutex_trylock(&chopstick[3]); if(pthread_mutex_trylock(&chopstick[4]) != 0){ pthread_mutex_unlock(&chopstick[3]); continue; } printf("哲学家4正在就餐\n"); sleep(1); pthread_mutex_unlock(&chopstick[3]); pthread_mutex_unlock(&chopstick[4]); i++; } while(i < 30); } void *philosopher5(void){ int i = 0; do{ printf("哲学家5正在思考\n"); sleep(1); pthread_mutex_trylock(&chopstick[4]); if(pthread_mutex_trylock(&chopstick[0]) != 0){ pthread_mutex_unlock(&chopstick[4]); continue; } printf("哲学家5正在就餐\n"); sleep(1); pthread_mutex_unlock(&chopstick[4]); pthread_mutex_unlock(&chopstick[0]); i++; } while(i < 30); }

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