进程同步模拟设计-哲学家就餐问题.pdf

【进程同步模拟设计-哲学家就餐问题】 在操作系统领域，进程同步是一个重要的概念，它涉及到多个并发执行的进程如何协调共享资源的访问，以避免竞态条件和死锁的发生。"哲学家就餐问题"是一个经典的多进程同步问题，用于演示和理解这些问题。在这个问题中，五个哲学家围坐在一张圆桌旁，每两人之间有一根筷子，总共有五根。每个哲学家需要两根筷子来吃饭，即左右各一根。问题在于，如果五个哲学家同时尝试拿起他们左侧的筷子，可能会导致所有人都无法进食，从而形成死锁。 1.1 问题描述与分析 哲学家就餐问题展示了死锁的可能性。当所有哲学家都持有一根筷子并等待另一根时，就会形成环路等待，即每个哲学家都在等待其他哲学家释放他们需要的筷子，从而导致系统停滞不前。这个问题可以通过两种类型的信号量来解决： - 记录型信号量：可以使用五个信号量分别表示五根筷子，当哲学家需要筷子时，会调用P操作尝试获取信号量，吃完后调用V操作释放。但这种方法可能会导致相邻的哲学家同时用餐，虽然避免了死锁，但可能导致资源浪费。 - AND型信号量：这种信号量在获取资源时要求一次性获取所有需要的资源，若无法全部获取则立即释放已获取的资源，适用于哲学家需要同时获得两根筷子的情况，能更有效地防止死锁。 1.2 解决策略 为了解决死锁，提出了以下策略： - 限制同时进餐的哲学家数量，例如最多四人，确保至少一人能进食并释放筷子。 - 筷子使用策略：只有当左右两根筷子都可用时，哲学家才能拿起筷子。 - 规定奇偶号哲学家取筷子的顺序，使得相邻的哲学家不会同时尝试拿同一侧的筷子。 - 筷子编号并按顺序使用，确保哲学家遵循一定的取筷规则，避免循环等待。 1.3 实现方法 本实验选择第二种解决策略，即只有当左右两根筷子都可用时，哲学家才能拿起筷子。程序设计上，创建`ChopStick`类表示筷子，包含ID和可用状态。`Philosopher`类包含哲学家ID、左右筷子对象，以及`eat()`、`Think()`和`Finish()`方法。在主程序中，初始化五个哲学家和五根筷子对象，并通过随机生成的数字决定哲学家的进餐顺序，以模拟实际的并发行为。 2.1 数据结构与模块说明 `ChopStick`类有`takeup()`和`Putdown()`方法来控制筷子的取用和放下。`Philosopher`类的`eat()`方法中会尝试取用筷子，如果两根筷子都可用，则开始进餐；`Think()`方法表示哲学家在思考；`Finish()`方法表示进餐结束。 哲学家就餐问题是一个典型的进程同步问题，通过模拟设计和适当的同步机制可以避免死锁。在实际的编程实现中，通常使用线程或进程，结合同步原语如信号量、互斥锁等来控制资源的访问，确保系统的正确运行。