操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書--基于linux的進(jìn)程之間通信

1、<p><b>　　操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　說(shuō) 明 書</b></p><p>　　2015 年12月25日</p><p><b>　　需求分析</b></p><p>　　1.1小組的拿到的任務(wù)是：</p><p&

2、gt;<b>　　設(shè)計(jì)內(nèi)容：</b></p><p>　　(1)實(shí)現(xiàn)管道通信，要求見P183習(xí)題（3）。</p><p>　　(2)實(shí)現(xiàn)信號(hào)量通信機(jī)制，要求見P191習(xí)題（3）。</p><p>　　(3)實(shí)現(xiàn)消息緩沖通信機(jī)制，要求見P197習(xí)題。</p><p>　　(4)實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存區(qū)通信機(jī)制，要求見P201

3、習(xí)題（2）。</p><p><b>　　要求：</b></p><p>　　(1)用Linux中進(jìn)程控制系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)來(lái)創(chuàng)建進(jìn)程（線程）。</p><p>　　(2)輸出進(jìn)程通信時(shí)同步的說(shuō)明信息。</p><p>　　1.2小組分工我拿到的題目是：(2)實(shí)現(xiàn)信號(hào)量通信機(jī)制，要求見P191習(xí)題（3）。</p&g

4、t;<p>　　1.3題目的要求如下：</p><p>　　1.3.1.哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題描述：</p><p>　　設(shè)有5個(gè)哲學(xué)家，共享一張放有5把椅子和5把叉子的圓桌，每人分得一把椅子。哲學(xué)家們?cè)诙亲羽囸I時(shí)才試圖分兩次從兩邊撿起兩把叉子就餐。</p><p><b>　　條件：</b></p><p>　　

5、1.每個(gè)人只有拿到兩把叉子時(shí)，哲學(xué)家才能吃飯</p><p>　　2.如果叉子已在他人手上，則哲學(xué)家必須等到他人吃完后才能拿起叉子</p><p>　　3.任性的哲學(xué)家在自己未拿到兩把叉子吃飯之前，絕不放下自己手中的叉子</p><p><b>　　1.3.2問(wèn)題：</b></p><p>　　1.什么情況下5個(gè)哲學(xué)家全

6、部都吃不上飯？</p><p>　　答：當(dāng)5個(gè)哲學(xué)家每人手中都拿到了1把叉子（共5把），即不肯放下自己手中的叉子又想要得到左右鄰居的叉子時(shí)，每個(gè)哲學(xué)家永遠(yuǎn)拿不到兩把叉子，所有哲學(xué)家都在等待另一把叉子，就會(huì)導(dǎo)致這5個(gè)哲學(xué)家誰(shuí)都吃不上飯。也就是產(chǎn)生死鎖后的情況。</p><p>　　2.編程實(shí)現(xiàn)沒有人餓死（永遠(yuǎn)拿不到兩個(gè)叉子）的算法。</p><p>　　答：程序請(qǐng)看代

7、碼實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　分析：沒有人餓死，就是不允許出現(xiàn)死鎖的情況（5個(gè)哲學(xué)家每人1把叉子）</p><p>　　1.3.3解決死鎖的方法有三種：</p><p>　　1.至多允許四位哲學(xué)家同時(shí)去拿左邊的叉子，最終保證至少有一位哲學(xué)家能夠進(jìn)餐，并且在用畢時(shí)能釋放出他用過(guò)的兩只叉子，從而使更多哲學(xué)家能夠進(jìn)餐；</p><p>　　2.規(guī)定

8、當(dāng)哲學(xué)家的左右兩只叉子均可用時(shí)，才允許他拿起叉子進(jìn)餐；</p><p>　　3.規(guī)定奇數(shù)號(hào)的哲學(xué)家先拿他左邊的叉子，然后再去拿他右邊的叉子，而偶數(shù)號(hào)哲學(xué)家則相反。五位哲學(xué)家都先競(jìng)爭(zhēng)奇數(shù)號(hào)叉子，獲得后再競(jìng)爭(zhēng)偶數(shù)號(hào)叉子，最終總有一位哲學(xué)家會(huì)因?yàn)楂@得兩只叉子而進(jìn)餐。</p><p>　　1.3.4我采用的解決死鎖問(wèn)題的方法</p><p>　　我采用的解決死鎖的方法是第二

9、種，即在哲學(xué)家拿起叉子前先判斷他左右鄰居的情況，只要左右鄰居中有一位正在進(jìn)餐（叉子已經(jīng)被鄰居拿到，鄰居進(jìn)餐結(jié)束前自己無(wú)法獲得其叉子），就不允許其拿起叉子進(jìn)餐，這就可以預(yù)防死鎖的情況發(fā)生。</p><p>　　1.4軟件需要完成的功能：</p><p>　　按照題目要求，需要調(diào)用Linux操作系統(tǒng)函數(shù)使用信號(hào)量機(jī)制完成對(duì)哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題的求解，要求所有哲學(xué)家都能吃到食物，并且要防止哲學(xué)家在競(jìng)爭(zhēng)

10、叉子過(guò)程發(fā)生死鎖。</p><p>　　程序應(yīng)該包含如下功能：</p><p>　　1.哲學(xué)家思考功能：哲學(xué)家在進(jìn)餐前和進(jìn)餐后處于思考狀態(tài)；</p><p>　　2.哲學(xué)家拿起叉子動(dòng)能：哲學(xué)家進(jìn)餐前需要拿起叉子，在這個(gè)過(guò)程中可能發(fā)生死鎖，所以要在這個(gè)功能中編寫防止死鎖的方法；</p><p>　　3.哲學(xué)家進(jìn)餐功能：哲學(xué)家拿起叉子后開始進(jìn)餐；

11、</p><p>　　4.哲學(xué)家放下叉子功能：哲學(xué)家用餐完畢，放下叉子，并通知其左右鄰居；</p><p>　　5.執(zhí)行P、V操作功能：由于要使用信號(hào)量機(jī)制，肯定會(huì)涉及到P、V操作</p><p>　　6.創(chuàng)建工作環(huán)境功能：包括建立共享內(nèi)存區(qū)、連接進(jìn)程和共享內(nèi)存區(qū)、創(chuàng)建并初始化信號(hào)量集、創(chuàng)建子進(jìn)程模擬5個(gè)哲學(xué)家等。</p><p>　　1.5

12、軟件設(shè)計(jì)的目的：</p><p>　　完成對(duì)哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題的求解，解決死鎖問(wèn)題。 </p><p><b>　　1.6最終成果：</b></p><p>　　最終要提交的成果是：說(shuō)明書、源程序（cpp文件）</p><p><b>　　總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2

13、.1程序模塊結(jié)構(gòu)圖：</p><p>　　圖1 哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題程序模塊結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　2.2程序流程圖</b></p><p>　　2.2.1 總體流程圖</p><p>　　圖2 總體程序流程圖</p><p>　　2.2.2哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題解決方案流程圖</p>

14、<p>　　圖3 哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題解決方案流程圖</p><p><b>　　3．詳細(xì)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 包含必要的頭文件</p><p>　　由于要調(diào)用Linux系統(tǒng)函數(shù)，所以要導(dǎo)入必要的頭文件，需要導(dǎo)入的頭文件如下：</p><p>　　3.2所有用到的常量、全局變量及宏定義</

15、p><p>　　3.3聯(lián)合體semun的定義</p><p>　　聯(lián)合體semun用于在對(duì)信號(hào)量設(shè)置和修改值的時(shí)候作為semctl函數(shù)的最后一個(gè)參數(shù)。</p><p>　　3.4創(chuàng)建并初始化工作環(huán)境模塊</p><p>　　3.4.1涉及到的Linux系統(tǒng)函數(shù)</p><p>　　在這個(gè)模塊中，涉及到很多Linux系統(tǒng)函數(shù)

16、的調(diào)用，以下是這些重要函數(shù)的解釋：</p><p>　?。?）shmget函數(shù)說(shuō)明：</p><p>　　函數(shù)原型：int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg)</p><p>　　函數(shù)作用：得到一個(gè)共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)符或創(chuàng)建一個(gè)共享內(nèi)存對(duì)象并返回共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)符。</p><p><b>　

17、　參數(shù)含義：</b></p><p>　　key：0(IPC_PRIVATE)：會(huì)建立新共享內(nèi)存對(duì)象</p><p>　　大于0的32位整數(shù)：視參數(shù)shmflg來(lái)確定操作。 </p><p>　　size：大于0的整數(shù)：新建的共享內(nèi)存大小，以字節(jié)為單位</p><p>　　0：只獲取共享內(nèi)存時(shí)指定為0</p><

18、;p>　　shmflg：0：取共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)符，若不存在則函數(shù)會(huì)報(bào)錯(cuò)</p><p>　　IPC_CREAT：當(dāng)shmflg&IPC_CREAT為真時(shí)，如果內(nèi)核中不存在鍵值與key相等的共享內(nèi)存，則新建一個(gè)共享內(nèi)存；如果存在這樣的共享內(nèi)存，返回此共享內(nèi)存的標(biāo)識(shí)符</p><p>　　IPC_CREAT|IPC_EXCL：如果內(nèi)核中不存在鍵值與key相等的共享內(nèi)存，則新建一個(gè)共享

19、內(nèi)存；如果存在這樣的共享內(nèi)存則報(bào)錯(cuò)</p><p>　　返回值：成功：返回共享內(nèi)存的標(biāo)識(shí)符 出錯(cuò)：-1，錯(cuò)誤原因存于error中</p><p>　?。?）shmat函數(shù)說(shuō)明：</p><p>　　函數(shù)原型：void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg)</p><p>　　

20、函數(shù)作用：連接共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)符為shmid的共享內(nèi)存，連接成功后把共享內(nèi)存區(qū)對(duì)象映射到調(diào)用進(jìn)程的地址空間，隨后可像本地空間一樣訪問(wèn)</p><p>　　參數(shù)含義：shmid 共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)符</p><p>　　shmaddr 指定共享內(nèi)存出現(xiàn)在進(jìn)程內(nèi)存地址的什么位置，直接指定為NULL讓內(nèi)核自己決定一個(gè)合適的地址位置</p><p>　　shmflg SHM_R

21、DONLY：為只讀模式，其他為讀寫模式</p><p>　　返回值 ：成功：附加好的共享內(nèi)存地址 出錯(cuò)：-1，錯(cuò)誤原因存于errno中</p><p>　?。?）semget函數(shù)說(shuō)明：</p><p>　　函數(shù)原型:int semget(key_t key,int nsems,int semflg);</p><p>　　函數(shù)作用：獲取與

22、某個(gè)鍵關(guān)聯(lián)的信號(hào)量集標(biāo)識(shí)</p><p>　　參數(shù)含義：key：所創(chuàng)建或打開信號(hào)量集的鍵值。</p><p>　　nsems：創(chuàng)建的信號(hào)量集中的信號(hào)量的個(gè)數(shù)，該參數(shù)只在創(chuàng)建信號(hào)量集時(shí)有效。</p><p>　　semflg：調(diào)用函數(shù)的操作類型</p><p>　　返回值：成功返回信號(hào)量集的IPC標(biāo)識(shí)符，失敗返回-1</p>&l

23、t;p>　?。?）信號(hào)量操作模板sem_op定義：</p><p>　　struct sembuf{</p><p>　　unsigned short sem_num;</p><p>　　short sem_op;</p><p>　　short sem_flg;</p><p><b>　　};&l

24、t;/b></p><p>　　當(dāng)sem_op.sem_op為-1時(shí)表示執(zhí)行P操作，sem_op為1時(shí)表示執(zhí)行V操作</p><p>　　3.4.2申請(qǐng)共享內(nèi)存區(qū)</p><p>　　3.4.3連接共享內(nèi)存區(qū)和進(jìn)程</p><p>　　3.4.4創(chuàng)建信號(hào)量集并初始化信號(hào)量</p><p>　　3.5 實(shí)現(xiàn)P、V操

25、作</p><p>　　3.5.1涉及到的Linux系統(tǒng)函數(shù)</p><p>　?。?）semop函數(shù)說(shuō)明：</p><p>　　函數(shù)原型：int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);</p><p>　　函數(shù)作用：對(duì)信號(hào)量執(zhí)行P、V操作</p><p

26、>　　參數(shù)含義：semid：信號(hào)集的識(shí)別碼，可通過(guò)semget獲?。╯emget返回值）。</p><p>　　sops： 信號(hào)量操作模板</p><p>　　nsops：信號(hào)操作結(jié)構(gòu)的數(shù)量，恒大于或等于1</p><p>　　返回值含義：操作結(jié)果，正常返回值為0，錯(cuò)誤返回-1</p><p>　　3.5.2實(shí)現(xiàn)P操作</p>

27、;<p>　　3.5.3實(shí)現(xiàn)V操作</p><p>　　3.6實(shí)現(xiàn)哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題解決方案的主要算法</p><p>　　3.6.1涉及到的linux系統(tǒng)函數(shù)</p><p>　?。?）sleep函數(shù)</p><p>　　函數(shù)原型：sleep(unsigned long);</p><p>　　函數(shù)作用：執(zhí)

28、行掛起一段時(shí)間</p><p>　　注意：sleep()單位為秒</p><p>　　3.6.2實(shí)現(xiàn)哲學(xué)家思考功能</p><p>　　3.6.2實(shí)現(xiàn)哲學(xué)家進(jìn)餐功能</p><p>　　3.6.3實(shí)現(xiàn)哲學(xué)家拿起叉子功能</p><p>　　3.6.3.1實(shí)現(xiàn)拿起叉子前的試探操作（防止死鎖算法）</p>&

29、lt;p>　　3.6.3.2實(shí)現(xiàn)拿起叉子功能</p><p>　　3.6.4實(shí)現(xiàn)放下叉子功能</p><p>　　3.6.5將上述功能整合起來(lái)</p><p>　　3.7將所有模塊連接在一起，形成一套完整的程序</p><p>　　為了方便最終的整合，將所有模塊的整合調(diào)用放進(jìn)一個(gè)單獨(dú)的函數(shù)，供主函數(shù)調(diào)用，最終程序整合只需調(diào)用這個(gè)方法。&

30、lt;/p><p><b>　　3.8編寫主函數(shù)</b></p><p><b>　　3.9編寫菜單</b></p><p><b>　　3.10運(yùn)行結(jié)果</b></p><p>　　使用終端編譯，結(jié)果如下：</p><p><b>　　4.心得體

31、會(huì)</b></p><p>　　通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)我學(xué)到了很多，下面談一談我的收獲：</p><p>　?。?）團(tuán)隊(duì)合作方面：本次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中由于我們分工明確，任務(wù)下達(dá)清楚，大家都知道自己該做什么，都朝著正確的方向在努力，所以收到了比較好的效果，效率也較高，這使我明白了，在以后的分工合作過(guò)程中，合理的分工和明確的任務(wù)的重要性。</p><p>　?。?）

32、程序設(shè)計(jì)方面：本次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中我遇到了很多挑戰(zhàn)：</p><p>　　首先是來(lái)自題目的挑戰(zhàn)，因?yàn)樽约簭膩?lái)沒用過(guò)Linux操作系統(tǒng)，所以看到題目后很擔(dān)心自己會(huì)完不成任務(wù)，但是最后我還是下決心從0開始，網(wǎng)上的Linux版本花樣繁多，不知道該選擇那個(gè)號(hào)，歷經(jīng)很多次失敗后，終于成功從網(wǎng)上下載了Red Hat Enterprise Linux 6版本并安裝成功了程序的編譯環(huán)境（gcc）和運(yùn)行環(huán)境（Eclipse C++）

33、,并成功編譯了Linux上的第一個(gè)C++程序。這次經(jīng)歷使我感受到了自學(xué)能力的重要性。在如今的環(huán)境下，IT技術(shù)更新速度飛快，所以自學(xué)能力就顯得尤為重要，這次自學(xué)安裝配置Linux環(huán)境，編譯自己寫的源代碼的過(guò)程中我感覺到Linux的用法和Mac OS X操作系統(tǒng)十分相似，很多操作是相通的，這也體現(xiàn)了知識(shí)之間是相互聯(lián)系的，因?yàn)長(zhǎng)inux和Mac OS X操作系統(tǒng)使用的都是UNIX內(nèi)核，所以有所相似很正常。</p><p&g