操作系统第6次实验报告：使用信号量解决进程互斥访问

Posted 2020-12-23 caibanye

• 李微微
• 201821121001
• 计算1811

1. 选择哪一个问题

• 哲学家进餐问题
• 有五个哲学家，他们的生活方式是交替地进行思考和进餐，哲学家们共用一张圆桌，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，平时哲学家进行思考，饥饿时便试图取其左、右最靠近他的筷子，只有在他拿到两支筷子时才能进餐，该哲学家进餐完毕后，放下左右两只筷子又继续思考。
  约束条件：
  (1)只有拿到两只筷子时，哲学家才能吃饭。
  (2)如果筷子已被别人拿走，则必须等别人吃完之后才能拿到筷子。
  (3)任一哲学家在自己未拿到两只筷子吃完饭前，不会放下手中已经拿到的筷子。

2. 给出伪代码

伪代码如下：

semaphore chopstick[5];           //五种信号量
semaphore m = 4；                 //最多四个哲学家同时拿起左筷
while(wait(num_mutex))
{
    wait(chopstick[i]);           //拿起左筷
    wait(chopstick[(i+1)%5]);     //拿起右筷
    
    sem_post(chopstick[i]);        //放下左筷
    sem_post(m);
    sem_post(chopstick[(i+1)%5]);  //放下右筷
}

算法思想：至多允许有四位哲学家同时去拿左边的筷子，然后再允许拿右边的筷子。最终保证至少有一位哲学家能够进餐，并在用毕时能同时释放他用过的两只筷子，从而使更多的哲学家能够进餐。

3. 给出完整代码

  1 #include <stdio.h>
  2 #include <stdlib.h>
  3 #include <malloc.h>
  4 #include <time.h>
  5 #include <unistd.h>
  6 #include <pthread.h>
  7 #include <semaphore.h>
  8
  9 #define N 5
 10
 11 sem_t chopsticks[N];            //设置5种信号量，有5种不同类型的资源
 12 sem_t m;                        //最多允许4个哲学家同时拿起左筷子
 13
 14 int philosophers[N] = {0, 1, 2, 3, 4};//代表5个哲学家的编号
 15 void delay (int len) {
 16     int i = rand() % len;
 17     int x;
 18     while (i > 0) {
 19         x = rand() % len;
 20         while (x > 0) {
 21             x--;
 22         }
 23         i--;
 24     }
 25 }
 26 void *philosopher (void* arg) {
 27     int i = *(int *)arg;
 28     int left = i;               //左筷编号和哲学家编号相同
 29     int right = (i + 1) % N;    //右筷编号为哲学家编号+1
 30     while (1) {
 31         printf("哲学家%d正在思考问题
", i);
 32         delay(60000);
 33         printf("哲学家%d饿了
", i);
 34         sem_wait(&m);            /*若前4个哲学家同时拿起左筷，第五个不能同时拿起左筷，保证至少有一位哲学家能吃到饭，解决死锁*/
 35         sem_wait(&chopsticks[left]);    //此时这个哲学左筷子的信号量-1后>=0，表示能继续执行
 36
 37         printf("哲学家%d拿起了%d号筷子,现在只有一支筷子,不能进餐
", i, left);
 38         sem_wait(&chopsticks[right]);
 39         printf("哲学家%d拿起了%d号筷子, 现在有两支筷子,开始进餐
", i, right);
 40         delay(60000);
 41         sem_post(&chopsticks[left]);
 42         printf("哲学家%d放下了%d号筷子
", i, left);
 43         sem_post(&m);                  //当哲学家释放了左筷子时，信号量m+1
 44         sem_post(&chopsticks[right]);
 45         printf("哲学家%d放下了%d号筷子
", i, right);
 46     }
 47 }
 48
 49 int main (int argc, char **argv) {
 50     srand(time(NULL));
 51     pthread_t philo[N];
 52     //信号量初始化
 53     for (int i=0; i<N; i++) {
 54         sem_init(&chopsticks[i], 0, 1);
 55     }
 56     sem_init(&m, 0, 4);
 57     //创建线程
 58     for (int i=0; i<N; i++) {
 59         pthread_create(&philo[i], NULL, philosopher, &philosophers[i]);
 60     }
 61     //挂起线程
 62     for (int i=0; i<N; i++) {
 63         pthread_join(philo[i], NULL);
 64     }
 65     //销毁信号量
 66     for (int i=0; i<N; i++) {
 67         sem_destroy(&chopsticks[i]);
 68     }
 69     sem_destroy(&m);
 70     return 0;
 71 }

4. 运行结果并解释

运行结果：

解释：刚开始所有哲学家（编号0-4）都在思考，无人拿起筷子。随后，因为大家都在思考，所以哲学家1能够拿起两只筷子，同理哲学家4也能够拿着两只筷子。接着哲学家1放下两只筷子，哲学家3因为哲学家4拿走的筷子而只能拿着一只筷子，因而哲学家2和哲学家1只能分别有哲学家1放下的一只筷子……程序不断输出，不存在死锁状态。

5. 加分项

上述解决哲学家进餐问题，解决潜在死锁问题的原理是：最多允许4个哲学家同时拿起左筷，若前4个哲学家同时拿起左筷，第五个不能同时拿起左筷，保证至少有一位哲学家能吃到饭，吃完后放下筷子，以便更多人食用，解决死锁。

6. 遇到的问题

       问题：编译代码时报错：undefined reference to sem_init sem_wait.......

       解决：因为pthread并非Linux系统的默认库，编译时注意加上-lpthread参数，以调用链接库。

      参考链接：https://blog.csdn.net/weixin_39531549/article/details/100857716