c语言程序设计哲学家的问题,实验四 模拟“五个哲学家”问题_Unix环境高级编程...
实验所给的《UNIX环境高级编程实验指导.doc》中其实已经给出了本实验的详细思路：主要就是利用文件来进行进程间的通信。
实验描述
编制模拟“五个哲学家”问题的程序，学习和掌握并发进程同步的概念和方法。
要求：
1、程序语法，是哲学家进餐和沉思的持续时间值，缺省值为2秒。
philosopher [ -t ]
2、五个哲学家的编号为0~4，分别用五个进程独立模拟。
3、程序的输出要简洁，仅输出每个哲学家进餐和沉思的信息。例如，当编号为3的哲学家在进餐时，就打印：
philosopher 3 is eating
而当他在沉思时，则打印：
philosopher 3 is thinking
除此之外不要输出其他任何信息。
4、利用课堂已教授的知识而不使用线程或IPC机制进行同步。
实验思路
哲学家就餐问题有多种解决思路可以避免死锁的发生，《实验指导》中的思路时，哲学家一旦拿到其中的一个叉子就不放下，直到拿到另一个叉子并进餐后才把两个叉子都放下。这种思路的前提是保证哲学家中同时存在左撇子和右撇子，则不会发生死锁。
并且也给了lock.c，实现了文件版本的lock()和unlock()，理解这个lock()的实现是关键:
#include
#include
#include
#include
#include "apue.h"
void initlock(const char *lockfile)
{
int i;
unlink(lockfile);
}
void lock(const char *lockfile)
{
int fd;
while ( (fd = open(lockfile, O_RDONLY | O_CREAT | O_EXCL, FILE_MODE)) < 0)
sleep(1);
close(fd);
}
void unlock(const char *lockfile)
{
unlink(lockfile);
}
lock(): 同时指定open()的 O_CREAT 和 O_EXCL 位，可用于判断文件是否存在(书中第48页)。fd<0表示文件已存在，于是sleep1秒，然后继续尝试。如果文件不存在，则创建文件，创建后，别人则无法再创建该文件。通过这样的方式来模拟lock，即该叉子(文件)已被某哲学家(进程)使用(创建)，在叉子未放下(未删除)前，其他人不能使用(创建)。对应的unlock()就是删除该文件。
可以通过下图来进一步了解该lock：
文件版的lock实现
实验的大部分代码，《实验指导》中已经给出。
// 定义5个文件，分别表示5个叉子。其文件名可以按如下方式说明：
static char* forks[5] = {“fork0“, “fork1“, “fork2“, “fork3“, “fork4“};
// 哲学家的行为可以用如下函数描述：
void philosopher(int i)
{
while(1) {
thinking(i, nsecs); // 哲学家i思考nsecs秒
takeFork(i); // 哲学家i拿起叉子
eating(i, nsecs); // 哲学家i进餐nsecs秒
putFork(i); // 哲学家i放下叉子
}
}
// 在主程序里，可以用下面的程序段生成5个哲学家进程：
#define N 5
for(i = 0; i < N; i++) {
pid = fork();
if( pid == 0 )
philosopher(i)；
// …………………
}
wait(NULL); /* 注意，如果父进程不等待子进程的结束，那么需要终止程序运行时，就只能从控制台删除在后台运行的哲学家进程 */
// 拿起叉子可以如此定义：
void takeFork(i)
{
if( i == N - 1 ) {
lock( forks[0] );
lock( forks[i] );
}
else {
lock( fork[i] );
lock( fork[i + 1] );
}
}
// 放下叉子可以如此定义：
void putFork(i)
{
if( i == N - 1 ) {
unlock( forks[0] );
unlock( forks[i] );
}
else {
unlock( fork[i] );
unlock( fork[i + 1] );
}
}
上面的代码基本无需修改，只要再补充输入参数的检验、think()、eating()就可以了，这个实验重在理解，理解了就非常简单了(代码都给得这么细了…)
比较重要的是 takeFork() ，前面说了哲学家一旦拿到其中的一个叉子就不放下，直到拿到另一个叉子并进餐后才把两个叉子都放下。这种思路的前提是保证哲学家中同时存在左撇子和右撇子，上面给出的代码，其实就是人为将第N个哲学家(编号N-1)设为右撇子，其他人是左撇子。你自己在图上画个圈表示哲学家跟叉子，都编上号，你就明白了。
还有一个点是僵尸进程，主程序中使用了 wait(NULL) 来避免僵尸进程的发生，为何？自己翻书吧…
使用 ps au 可以查看当前用户运行的程序，如运行 ./philosopher 时，新开一个终端并运行 ps au，如下图，可以看到有6个 philosopher 进程(1个主进程，5个子进程)，当结束 ./philosopher 后，再运行 ps au 将不会看到 philosopher 进程，否则就是产生了僵尸进程。
使用ps au来查看运行的程序
最后，程序每次运行的结果都不太一样。例如一开始五个哲学家都进入思考状态，这五条状态的输出顺序不固定，你跑程序时就会发现这一点了，Why？还是自己翻书去吧… 有一点需要注意的是，执行 sleep(1) 时，进程并不会精准的休眠1秒，知道这点有助于你理解程序的运行。
题外话
做实验时有给同学讲解了下，主要是讲了 lock() 的实现和左右撇子的问题，但从实验过程来看，一些同学对 fork() 还是不够了解，比如 fork() 创建的子进程，子进程是从哪里执行的这些都还不是很了解：
使用 fork() 创建子进程后，子进程是从 fork() 的位置继续执行。所以上面给的程序中，子进程实际上是会继续执行主程序里的 for 循环的(若是完整的执行流程，philosopher() 会运行 31 次)。但因为 philopher() 中是 while(1) 循环，因此每个子进程中就一直各自在不断执行一个philosopher()，即可以模拟5个哲学家。
所以还是建议做实验前好好看下书中相关内容，真的，对 fork() 都不太了解的话，实验一的简单 shell 你是怎么做的？这样你确定你期末上机考试能过么… 做这些实验还是得多思考，多翻书的，要真正明白整个实验所涉及的知识点。
实验讲解PPT
把PPT放出来好了(已转成PDF): UNIX实验四讲解PPT下载
完整代码
代码编译时要将 lock.c 一起编译：
gcc philosopher.c error2e.c lock.c -o philosopher
代码中的结果输出顺带输出了当前时间，只是方便查看结果，实验并不要求，提交代码时也不该输出时间，请自行删去。
#include "apue.h"
#include "time.h"
#define N 5
static char* forks[N] = {"fork0", "fork1", "fork2", "fork3", "fork4"};
static int nsecs = 2;
/* 显示时间，方便查看结果，提交时应删除 */
static char now[80];
char* getTime() {
time_t tim;
struct tm *at;
time(&tim);
at=localtime(&tim);
strftime(now, 79, "%H:%M:%S", at);
return now;
}
/*
* 拿叉子的定义
* 如果哲学家中同时存在左撇子和右撇子，则哲学家问题有解
*/
void takeFork(int i) {
if(i == N-1) { // 人为设定第N-1位哲学家是右撇子
lock(forks[0]);
lock(forks[i]);
} else { // 其他是左撇子
lock(forks[i]);
lock(forks[i+1]);
}
}
/* 放下叉子 */
void putFork(int i) {
if(i == N-1) {
unlock(forks[0]);
unlock(forks[i]);
}
else {
unlock(forks[i]);
unlock(forks[i+1]);
}
}
void thinking(int i, int nsecs) {
printf("philosopher %d is thinking\t%s\n", i, getTime());
sleep(nsecs);
}
void eating(int i, int nsecs) {
printf("philosopher %d is eating\t\t%s\n", i, getTime());
sleep(nsecs);
}
/* 哲学家行为 */
void philosopher(int i) {
while(1) {
thinking(i, nsecs); // 哲学家i思考nsecs秒
takeFork(i); // 哲学家i拿起叉子
eating(i, nsecs); // 哲学家i进餐nsecs秒
putFork(i); // 哲学家i放下叉子
}
}
int main(int argc, char * argv[]) {
int i;
pid_t pid;
/* 初始化叉子 */
for(i = 0; i < N; i++) {
initlock(forks[i]);
}
/* 处理输入 */
if(argc == 3 && strcmp(argv[1], "-t") == 0) {
nsecs = atoi(argv[2]);
// if (!nsecs) err_quit("usage: philosopher [ -t ]");
} else if (argc != 1) {
err_quit("usage: philosopher [ -t ]");
}
/* 创建五个子进程来模拟五个哲学家 */
for(i = 0; i < N; i++) {
pid = fork();
if (pid == 0) {
philosopher(i);
} else if (pid < 0) {
err_quit("fork error");
}
}
wait(NULL); /* 注意，如果父进程不等待子进程的结束，*/
/* 那么需要终止程序运行时，就只能从控制台删除在后台运行的哲学家进程 */
}