【操作系统实验】Linux环境下用进程实现哲学家进餐问题——C语言完整代码+详细实验报告
【注意】代码在文末，以下为详细实验报告
【实验目的】
以哲学家进餐问题为例，学习并熟悉Linux下进程通信、同步机制的具体实现方法，主要是了解并掌握信号量机制和避免死锁的使用方法，使得不会出现哲学家饥饿的情况，并进一步熟悉Linux系统的相关指令的调用。
【实验内容】
5个位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5个盘子和5双筷子，他们的生活方式是交替的进行思考和进餐。平时哲学家进行思考，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。进餐完成之后，放下筷子继续思考。
利用进程实现哲学家进餐问题，使哲学家不会出现饿死现象，亦即避免进程之间的死锁问题。筷子为临界资源，一段时间内只允许一位哲学家使用，为实现对筷子的互斥使用， 可用一个信号量表示一只筷子；五个信号量构成信号量数组Chopstick[i]，Chopstick[(i+1)%5]。
【实验环境】（含主要设计设备、器材、软件等）
【实验步骤、过程】（含原理图、流程图、关键代码，或实验过程中的记录、数据等）
一、解决方法
哲学家进餐问题避免哲学家被饿死的解决方法有：
(1)至多四个人同时拿左边的筷子，保证至少有一个人可以进餐，最终释放筷子使更多的人进餐。
(2)仅当哲学家的左右两支筷子均可用时，才允许他拿起筷子进餐。
(3)规定奇数号哲学家先拿起其左边的筷子，再拿右边的，偶数号哲学家则相反。总会有某一人进餐。
利用进程实现以上三种解决方法。
二、数据结构
对于第一个方法，定义了一个变量room，使得最多只允许四个哲学家同时进餐，避免死锁，而对于第二个方法，定义了一个记录型信号量mutex，对左右的筷子进行互斥访问，进而避免死锁。
三、算法描述
1.方法一
内容：至多四个人同时拿左边的筷子，保证至少有一个人可以进餐，最终释放筷子使更多的人进餐。
步骤：
(1)初始化筷子的信号量，同时初始化room为4，保证最多四个哲学家进餐。
(2)对每一个哲学家在进餐之前进行如下原子操作
Wait(room)，Wait(chopstick[i])，Wait(chopstick[(i+1)%5])，
Signal(chopstick[i])，Signal(chopstick[(i+1)%5])，Signal(room)
(3)若出现四个哲学家同时拿起了左手边的筷子，则第五个人必须等待，直到他两边的筷子空闲才可以进行进餐，这样就避免了哲学家在进餐过程中出现饥饿现象，也就是死锁。
(4)哲学家开始进餐。
(5)删除信号量和共享内存，释放空间。
2.方法二
内容：仅当哲学家的左右两支筷子均可用时，才允许他拿起筷子进餐。
步骤：
(1)初始化筷子的信号量，同时初始化mutex为5，对筷子进行互斥访问。
(2)对每一个哲学家在进餐之前进行如下原子操作
Wait(mutex)，Wait(chopstick[i])，Wait(chopstick[(i+1)%5])，
Signal(mutex)，Signal(chopstick[i])，Signal(chopstick[(i+1)%5])
在这里是先执行mutex的V操作，原因在于如果哲学家已经拿起了一双筷子开始进餐之后，为了不让别的哲学家一直等待，需要立即释放该信号量，以便于与他不相邻的哲学家可以进餐。
(3)哲学家开始进餐
(4)删除信号量和共享内存，释放空间
3.方法三
内容：规定奇数号哲学家先拿起其左边的筷子，再拿右边的，偶数号哲学家则相反。总会有某一人进餐。
步骤：
(1)初始化筷子的信号量。
(2)对偶数号哲学家在进餐之前进行如下原子操作
Wait(chopstick[(i+1)%5])，Wait(chopstick[i])，
Signal(chopstick[(i+1)%5])，Signal(chopstick[i])
在这里是规定偶数号哲学家先拿起右边的筷子，再拿起左边的筷子。
(3)对奇数号哲学家在进餐之前进行如下原子操作
Wait(chopstick[i])，Wait(chopstick[(i+1)%5])，
Signal(chopstick[i])，Signal(chopstick[(i+1)%5])
在这里是规定奇数号哲学家先拿起左边的筷子，再拿起右边的筷子。
(4)哲学家开始进餐
(5)删除信号量和共享内存，释放空间
4.进行错误判断
这里进行的错误判断主要是通过调用函数来判断，信号量是否成功初始化、进程是否成功创建以及共享内存是否设置好，详见如下
图1 error 判断
5.原子操作——P操作和V操作
P操作、V操作对封装的信号量进行“减1”“加1”操作。
在LINUX下，通过使用 semop 函数改变信号量的值。以下P、V操作分别使用两种代码书写方式
图2 P操作（wait）
图3 V操作（signal）
四、程序流程图
1.方法一流程图
内容：至多四个人同时拿左边的筷子，保证至少有一个人可以进餐，最终释放筷子使更多的人进餐。
图4 方法一流程图
2.方法二流程图
内容：仅当哲学家的左右两支筷子均可用时，才允许他拿起筷子进餐。
图5 方法二流程图
3.方法三流程图
内容：规定奇数号哲学家先拿起其左边的筷子，再拿右边的，偶数号哲学家则相反。总会有某一人进餐。
图6 方法三流程图
五、伪代码
1.方法一伪代码
内容：至多四个人同时拿左边的筷子，保证至少有一个人可以进餐，最终释放筷子使更多的人进餐。
semaphore chopstick[5] = {
1, 1, 1, 1, 1};
semphore room=4;
Pi ()
{
while（1）
{
P（room）;
P（chopstick [i] ）;
P（chopstick[（i+1）%5]）；
进餐;
V（chopstick [（i+1）%5];
V（chopstick [i]）;
V(room);
思考
}
}
2.方法二伪代码
内容：仅当哲学家的左右两支筷子均可用时，才允许他拿起筷子进餐。
semaphore chopstick[5] = {
1, 1, 1, 1, 1};
semaphore mutex=1；
Pi ()
{
while（1）
{
P（mutex）;
P（chopstick [i] ）;
P（chopstick[（i+1）%5]）；
V（mutex）;
进餐;
V（chopstick[（i+1）%5]）;
V（chopstick [i]）;
思考
}
}
3.方法三伪代码
内容：规定奇数号哲学家先拿起其左边的筷子，再拿右边的，偶数号哲学家则相反。总会有某一人进餐。
semaphore chopstick[5] = {
1, 1, 1, 1, 1};
Pi ()
{
while（1）
{
if(i mod 2==0) //偶数号哲学家，先右后左
{
P（chopstick[（i+1）%5]）；
P（chopstick [i] ）;
进餐；
V（chopstick [i]）;
V（chopstick[（i+1）%5]）;
}
else //奇数号哲学家，先左后右
{
P（chopstick [i] ）;
P（chopstick[（i+1）%5]）；
吃饭；
V（chopstick[（i+1）%5]）;
V（chopstick [i]）;
}
}
}
六、编译指令
//方法一
$ gcc -o philosophers_1.out philosophers_1.c
$ ./philosophers_1.out
//方法二
$ gcc -o philosophers_2.out philosophers_2.c
$ ./philosophers_2.out
//方法三
$ gcc -o philosophers_3.out philosophers_3.c
$ ./philosophers_2.out
图7 所有编译指令
七、运行结果
1.方法一运行结果
内容：至多四个人同时拿左边的筷子，保证至少有一个人可以进餐，最终释放筷子使更多的人进餐。
图8 方法一运行结果
2.方法二运行结果
内容：仅当哲学家的左右两支筷子均可用时，才允许他拿起筷子进餐。
图9 方法二运行结果
3.方法三运行结果
内容：规定奇数号哲学家先拿起其左边的筷子，再拿右边的，偶数号哲学家则相反。总会有某一人进餐
图10 方法三运行结果
【实验结果或总结】（对实验结果进行相应分析，或总结实验的心得体会，并提出实验的改进意见）
本次实验是关于哲学家进餐互斥和同步的问题。问题的实质是如何避免饥饿，也就是死锁，实验一共给出了三种解决方案，分别是设置room，至多四人进餐；设置mutex，当左右筷子都被哲学家拿到方可进餐；规定奇数号和偶数号哲学家的进餐规则。
通过本次实验，我对操作系统的P,V操作和死锁有了进一步的认识，深入地了解P,V操作的实质和避免死锁的重要性，也通过课本的理论知识进一步阐述了现实的实际问题。
代码
#include