操作系统实验报告
进程管理
一、 设计目的、功能与要求
设计目的：掌握进程管理的相关内容，对进程的同步和互斥，及信号量机制有深入的理解
实验内容：模拟实现用信号量机制解决哲学家就餐问题 具体要求：
? 任选一种计算机高级语言编程实现 ? 实现5个哲学家（5只筷子）的顺利就餐 ? 需避免出现死锁
? 使用信号量、及信号量的等待队列 ? 使用P操作、V操作
? 能够显示每个哲学家、及每只筷子的状态
二、 问题的详细描述、需求分析
该实验要求模拟实现用信号量机制解决哲学家就餐问题。 哲学家就餐问题详细描述如下：
有五个哲学家围坐在一圆桌旁，桌中央有一盘通心粉，每人面前有一只空盘子，有五个哲学家围坐在一圆桌旁，桌中央有一盘通心粉，每人面前有一只空盘子，每两人之间放一只筷子，即共5只筷子。每个哲学家的行为是思考和进餐。每个哲学家的行为是思考和进餐。为了进餐，每个哲学家必须拿到两只筷子，并且每个人只能直接从自己的左边或右边去取筷子。思考时则同时将两支筷子放回原处时则同时将两支筷子放回原处。
规则：只有拿到两只筷子时，哲学家才能吃饭；只有拿到两只筷子时，哲学家才能吃饭；如果筷子已经在他人手上，则该哲学家必须等到他人吃完之后才能拿到筷子；如果筷子已经在他人手上，则该哲学家必须等到他人吃完之后才能拿到筷子；任何一个哲学家在自己没有拿到两只筷子吃饭之前，决不放下自己手中的筷子。
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为了解决哲学家就餐问题同时解决死锁现象，需要设计一定的解决策略。有这样几种解决办法：
1.至多只允许四个哲学家同时进餐，以保证至少有一个哲学家可以进餐，最终总会释放出他所用过的两只筷子，从而可使更多的哲学家进餐；
2.仅当左右两只筷子均可用时，才允许哲学家拿起筷子就餐； 3.规定奇数号哲学家先拿起右边筷子，然后再去拿左边筷子，而偶数号哲学家则相反。
该实验我采取了第2种解决方案，每个哲学家在确定自己左右两边的筷子都能用时，才能同时拿起两只筷子进餐，进餐完成后同时放下两只筷子。
三、 数据结构、功能设计（功能与框图、功能模块说明）
该实验使用java的多线程，同时利用到关键字synchronized实现了共享数据的互斥锁定，以保证每只筷子的状态的互斥的。在Philosopher的构造函数里面，用super（）调用父类的构造函数，以此创建一个线程。在run（）方法里面写入每个哲学家的状态变化情况，最终用start（）方法实现多进程，解决哲学家就餐问题。
整个程序在一个包里面有三个类，分别为哲学家Philosopher类、筷子Chopstick类和测试Test类。其中Philosopher类继承了Thread类实现线程。筷子类Chopstick中有takeChopstick（）函数和putChopstick（）函数，分别处理每个哲学家同时拿起和放下左右两边的筷子。筷子类Chopstick中有一个布尔型数组用来存储每只筷子的状态，起始状态都为false，即没有被拿起来使用。在takeChopstick（）函数和putChopstick（）函数中改变筷子的状态，同时在控制台打印输出筷子此时的状态。Test类中建立五个线程并都用start（）方法启动。
四、 开发工具及源程序的主要部分（需对主要代码段附文字注释）
IDE：eclipse 源码如下： Philosopher类：
package package1;
publicclass Philosopher extends Thread {
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高级语言：Java
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private String ID; //哲学家编号
privateChopStickchopstick; //创建一个筷子对象 public Philosopher(String ID,ChopStickchopstick){ super(ID); //调用父类的构造函数 this.ID=ID;
this.chopstick=chopstick; }
publicvoid run(){ while(true){
thinking(); //哲学家正在思考
chopstick.takeChopstick(); //哲学家同时拿起了左右筷子 eating(); //哲学家正在吃饭 chopstick.putChopstick(); //哲学家放下了左右筷子 }
}
publicvoid eating(){
System.out.println(ID+\号哲学家正在吃饭\); try {
sleep(1000);//模拟吃饭，占用一段时间资源 } catch (InterruptedExceptione) { e.printStackTrace(); } }
publicvoid thinking(){
System.out.println(ID+\号哲学家正在思考\); try {
sleep(1000);//模拟思考,占用一段时间资源 } catch (InterruptedExceptione) { e.printStackTrace(); } }
}
Chopstick类：
publicclassChopStick {
privateboolean[] used={false,false,false,false,false}; //筷子的初始状态都是未被拿起
publicsynchronizedvoidtakeChopstick()
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//用synchronized将该方法锁定到一个线程上 {
String ID = Thread.currentThread().getName(); inti = Integer.parseInt(ID); while(used[i]||used[(i+1)%5]){ try {
wait();//如果左右手有一只正被使用，等待 } catch (InterruptedExceptione) { e.printStackTrace(); } }
used[i]= true;
System.out.print(i+\号筷子被拿起来了，\); used[(i+1)%5]=true;
System.out.println((i+1)%5+\号筷子被拿起来了\); }
publicsynchronizedvoidputChopstick(){
String ID = Thread.currentThread().getName(); inti = Integer.parseInt(ID); used[i]= false;
System.out.print(i+\号筷子被放下了，\); used[(i+1)%5]=false;
System.out.println((i+1)%5+\号筷子被放下了\); notifyAll();//唤醒其他线程 } }
Test类：
publicclass Test {
publicstaticvoid main(String []args){
ChopStickchopstick = newChopStick(); //新建筷子对象 new Philosopher(\,chopstick).start(); //启动各个线程 new Philosopher(\,chopstick).start(); new Philosopher(\,chopstick).start(); new Philosopher(\,chopstick).start(); new Philosopher(\,chopstick).start(); }
}
五、 测试用例、运行结果与运行情况分析
运行结果如图所示：
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哲学家可以多次就餐，多次进入休息或等待状态，若不暂停程序，则进程会一直继续下去。在控制台，打印了每个哲学家的状态变化和每只筷子的状态变化。
六、 自我评价与总结
该次实验由于要解决哲学家就餐问题，有对进程的同步和互斥操作，于是首先想到的是采用多线程的方法解决。而Java语言对多线程的操作比较方便，于是选择了Java作为编程语言。由于学Java时对多线程比较陌生，没有深入学习，于是在实验的准备阶段，我首先把Java教材多线程部分学习了一遍，同时利用强大的网络平台搜索了Java多线程方面的知识。在学会了Java多线程的知识后，我便将哲学家问题抽象化，首先理顺了思路，然后考虑了用类来封装，在类中实现每个对象的方法。
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实验过程中遇到了很多问题，我也参考了网络上的解决办法，并且查阅了很多解决哲学家就餐问题的具体方案和实现代码，在学习过程中，我一步一步解决了自己编程的错误。最后，能够顺利解决哲学家就餐问题。但是，我的实验代码不能很好地控制哲学家就餐的次数，只能通过人为控制程序中断，来观察哲学家们的状态变化和筷子的状态变化，这点仍然需要改进。
总之，本次实验收获很大，既深入学习了Java多线程，又掌握了进程管理的相关内容，对进程的同步和互斥，及信号量机制有深入的理解。
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