操作系统课程设计利用多线程和信号量解决哲学家进餐问题java实现

1、操作系统课程设计操作系统课程设计课程设计报告课程设计报告课课题：题：利用信号量和多线程机制实现利用信号量和多线程机制实现“哲学家进餐哲学家进餐”问题问题所在学院： 信息工程学院信息工程学院 班 级： 计科计科 12011201 学 号： 121404112140411414 姓 名： 魏魏 祥祥 指导教师： 徐向英徐向英 2015 年 1 月 1 日目录目录一、课程设计目标.3二、课题内容.3三、设计思路.3四、源代码.5五、运行与测试.9六、心得体会.10一、课程设计目标一、课程设计目标学习多线程编程，使用线程的同步机制实现“哲学家进餐”问题。具体要求：1.创建 POSIX 线程，实现多线程

2、的并发执行，验证多线程共享进程资源的特性。2.使用互斥量和条件变量，或使用信号量实现线程的同步互斥。3. 验证 “ 哲学家进餐”问题中的死锁情况，并加以解决。二、课题内容二、课题内容哲学家进餐问题由 Dijkstra 提出，问题描述有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支筷子，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，饥饿时便试图取用其左右最靠近他的筷子，只有在他拿到两只筷子时才能进餐。进餐完毕，放下筷子继续思考。本次课题要求使用多线程和信号量解决哲学家进餐问题。并演示产生死锁的情况。三、设计思路三、设计思路经分析可知，放在桌子上的筷子是

3、临界资源，在一段时间内只允许以为哲学家使用。为了实现对筷子的互斥，可以用一个信号量表示一只筷子，由着五个信号量构成信号量数组。当哲学家饥饿时总是先去拿左筷子，成功后在拿右筷子。当五位哲学家同时拿起左筷子，这是每位哲学家都没有右筷子可以拿，就会造成死锁。思路思路 1：利用记录型信号量：利用记录型信号量 设置值为 4 的记录型信号量，至多只允许四位哲学家同时去拿左筷子(leftStick.getSema().acquire()，只有拿到左筷子，才能继续拿右筷子(rightStick.getSema().acquire()。拿到两双筷子之后便可以用餐，用餐完毕，先放下左筷子(leftStick.ge

4、tSema().release()，再放下右筷子(rightStick.getSema().release()。这样便可以避免思索问题。思路思路 2：利用：利用 AND 型信号量型信号量 要求每个哲学家必须获取两个筷子的时候才能够进餐，只得到一只筷子不能进餐时，要求释放那一只筷子。可以使用 AND 型信号量将左筷子和右筷子信号量的获取组成一个原子操作。如此也可以避免死锁问题。本次课程设计是在 windows 系统下完成，编程语言为 java，开发环境:Eclipse。由于在 java 语言中使用记录型信号量更为方便，所以本次课题我使用的是思路一。static Semaphore room =

5、new Semaphore(4); 设置值为 4 的记录型信号量，至多只允许四个哲学家同时拿起左筷子。private Semaphore semaphore = new Semaphore(1);在筷子类中为筷子设置值为 1 信号量。room.acquire(); /获取值为4的信号量leftStick.getSema().acquire(); /获取左筷子信号量Thread.sleep(1000 * 1); /拿到左筷子之后等待2秒，观察死锁rightStick.getSema().acquire(); /获取右筷子信号量eat();Thread.sleep(1000 * 2); /用完餐后

6、等待2秒，继续思考finishEat();leftStick.getSema().release(); /释放左筷子信号量rightStick.getSema().release(); /释放右筷子信号量room.release(); /释放值为4的信号量当需要演示死锁的情况是，只需要将 room.acquire();和 room.release();这两行注释掉，取消至多只允许四位哲学家一起拿起左筷子的限制，就会产生死锁。ChopStick chopStick = new ChopStick5;for(int i = 0; i 5; i +)chopSticki = new ChopStic

7、k(i);New 出编号 0 到 4 的五支筷子。Philosopher ph0 = new Philosopher(0, chopStick0, chopStick1);Philosopher ph1 = new Philosopher(1, chopStick1, chopStick2);Philosopher ph2 = new Philosopher(2, chopStick2, chopStick3);Philosopher ph3 = new Philosopher(3, chopStick3, chopStick4);Philosopher ph4 = new Philosoph

8、er(4, chopStick4, chopStick0);New 出编号 0 到 4 的五位哲学家，他们分别对应着自己的左、右两支筷子。ExecutorService excutor = Executors.newFixedThreadPool(5);5 位哲学家用餐，所以需要 5 个线程同时执行，创建容量为 5 的线程池。四、源代码四、源代码/在 Windows 下运行,筷子类筷子类(ChopStick.java)import java.util.concurrent.Semaphore;public class ChopStick private int ID;private boole

9、an available;private Semaphore semaphore = new Semaphore(1);public ChopStick(int ID)this.ID = ID;this.available = true;this.semaphore = new Semaphore(1);public void setAvai(boolean available)this.available = available;public boolean getAvai()return this.available;public Semaphore getSema()return thi

10、s.semaphore;public void setSema(Semaphore sema)this.semaphore = sema; public int getId()return this.ID;哲学家类哲学家类(Philosopher.java)import java.util.concurrent.Semaphore;public class Philosopher implements Runnableprivate int ID;static Semaphore room = new Semaphore(4);private ChopStick leftStick;priva

11、te ChopStick rightStick;public Philosopher(int ID, ChopStick cs1, ChopStick cs2)this.ID = ID;this.leftStick = cs1;this.rightStick = cs2;public void getLeftChopStick()this.leftStick.setAvai(false);public int getId()return ID;public void eat()leftStick.setAvai(false);rightStick.setAvai(false);System.o

12、ut.println(哲学家+ this.getId() + 正在用餐。 。 。);public void think()System.out.println(哲学家 + this.getId() + 正在思考。 。 。);public void finishEat()System.out.println(哲学家 + this.getId() + 用餐结束,正在思考。 。 。);leftStick.setAvai(true);rightStick.setAvai(true);public void readyToEat()System.out.println(哲学家 + this.getId(

13、) + 饿了准备用餐。 。 。);public void cannotEat()System.out.println(哲学家 + this.getId() + 缺少筷子，不能用餐，等待。 。);public void run() tryroom.acquire();this.readyToEat();if(this.leftStick.getSema().availablePermits() = 0 | this.leftStick.getSema().availablePermits() = 0)this.cannotEat();this.leftStick.getSema().acquir

14、e(); Thread.sleep(1000 * 1); this.rightStick.getSema().acquire(); this.eat();Thread.sleep(1000 * 2);this.finishEat();this.leftStick.getSema().release(); this.rightStick.getSema().release(); room.release();catch(InterruptedException ex)ex.toString(); 测试测试(Test.java)import java.util.concurrent.*;impor

15、t java.util.Scanner;public class Test public static void main(String args)Scanner input = new Scanner(System.in);menu();int choice = input.nextInt();while(choice != 1)if(choice = 0)ChopStick chopStick = new ChopStick5;for(int i = 0; i 5; i +)chopSticki = new ChopStick(i); ExecutorService excutor = E

16、xecutors.newFixedThreadPool(5);Philosopher ph0 = new Philosopher(0, chopStick0, chopStick1);excutor.execute(new Philosopher(0, chopStick0, chopStick1);excutor.execute(new Philosopher(1, chopStick1, chopStick2);excutor.execute(new Philosopher(2, chopStick2, chopStick3);excutor.execute(new Philosopher

17、(3, chopStick3, chopStick4);excutor.execute(new Philosopher(4, chopStick4, chopStick0);excutor.shutdown();choice = input.nextInt();menu();public static void menu()System.out.println(0: 演示);System.out.println(1: 结束);五、运行与测试五、运行与测试1. 运行界面运行界面2. 死锁演示死锁演示3. 无死锁演示无死锁演示六、心得体会六、心得体会 本次课程设计我总得来说花的时间不是太多，代码加起来一共不超过两百行。我只用了一种思路来完成。思路一完成之后，我也尝试着用思路二完成，但是 AND 型信号量的问题很难解决，最后便放弃了。拿到课题之前我对哲学家进餐问题了解的还不是很透彻，我利用网络和查询课本彻底搞懂了哲学家进餐问题。并且得到两种解决思路。通过此次的课程设计，我想我对多线程的编程理解更深了一点