【操作系统哲学家就餐问题实验报告】一、引言
在操作系统课程中，进程同步与死锁是重要的研究内容之一。为了更好地理解这一概念，我们进行了“哲学家就餐问题”的实验分析。该问题是经典的并发编程问题，用于展示多线程环境下资源分配与死锁的潜在风险。本实验旨在通过模拟不同策略下的哲学家行为，观察系统是否发生死锁，并探讨如何避免或减少此类问题的发生。
二、实验背景
“哲学家就餐问题”由Dijkstra提出，描述了五位哲学家围坐在一张圆桌旁，每人面前有一碗面和一双筷子。每位哲学家需要同时拿到左右两边的筷子才能吃饭。若所有哲学家同时试图拿筷子，可能会导致所有人都无法获得所需的两根筷子，从而陷入死锁状态。
该问题的核心在于资源的合理分配与进程之间的协调机制。在实际操作系统中，类似的场景可能出现在多个进程争夺有限资源的情况下，如打印机、内存、文件等。
三、实验目标
1. 理解“哲学家就餐问题”的基本模型及其实现方式。
2. 通过模拟不同策略（如限制同时就餐人数、按顺序拿筷子等）来观察系统行为。
3. 分析不同策略对死锁发生的影响。
4. 掌握操作系统中进程同步与互斥的基本原理。
四、实验环境与工具
- 操作系统：Windows 10
- 编程语言：C/C++
- 开发环境：Visual Studio 2019
- 调试工具：GDB（Linux环境下）
五、实验设计与实现
1. 基本模型实现
在该模型中，每个哲学家是一个独立的线程，使用两个信号量（代表筷子）进行操作。当哲学家想要吃饭时，会尝试获取左右两边的筷子，如果成功，则开始吃饭，否则等待。
```c
define N 5
sem_t chopsticks[N];
void philosopher(void arg) {
int i = (int)arg;
while (1) {
think();
sem_wait(&chopsticks[i]);
sem_wait(&chopsticks[(i + 1) % N]);
eat();
sem_post(&chopsticks[i]);
sem_post(&chopsticks[(i + 1) % N]);
}
}
```
该模型在某些情况下会导致死锁，例如所有哲学家同时尝试获取筷子，最终形成循环等待。
2. 改进策略一：限制同时就餐人数
通过引入一个全局的信号量，限制最多只有四位哲学家同时尝试吃饭，从而避免全部人同时请求资源。
```c
sem_t room;
void philosopher(void arg) {
int i = (int)arg;
while (1) {
think();
sem_wait(&room); // 进入房间
sem_wait(&chopsticks[i]);
sem_wait(&chopsticks[(i + 1) % N]);
eat();
sem_post(&chopsticks[i]);
sem_post(&chopsticks[(i + 1) % N]);
sem_post(&room); // 离开房间
}
}
```
此方法有效防止了死锁的发生，但可能导致资源利用率降低。
3. 改进策略二：按序获取筷子
为避免循环等待，规定哲学家只能先拿编号较小的筷子，再拿较大的，从而打破环路。
```c
void philosopher(void arg) {
int i = (int)arg;
while (1) {
think();
if (i % 2 == 0) {
sem_wait(&chopsticks[i]);
sem_wait(&chopsticks[(i + 1) % N]);
} else {
sem_wait(&chopsticks[(i + 1) % N]);
sem_wait(&chopsticks[i]);
}
eat();
sem_post(&chopsticks[i]);
sem_post(&chopsticks[(i + 1) % N]);
}
}
```
该策略能够有效避免死锁，同时保持较高的资源利用率。
六、实验结果与分析
在实验过程中，我们观察到以下现象：
- 原始模型：在特定条件下，所有哲学家同时请求筷子，导致死锁，程序无法继续运行。
- 限制就餐人数：虽然有效避免了死锁，但部分哲学家可能长时间等待，影响效率。
- 按序获取筷子：系统稳定运行，未出现死锁，且资源利用较为均衡。
通过对比不同策略的运行效果，我们可以得出结论：合理的资源分配策略对于避免死锁至关重要。不同的算法适用于不同的应用场景，需根据实际需求选择合适的方法。
七、结论
本次实验通过对“哲学家就餐问题”的模拟与分析，深入理解了操作系统中进程同步与死锁的概念。通过采用不同的解决策略，我们验证了多种避免死锁的方法，并掌握了其优缺点。该实验不仅加深了对操作系统理论的理解，也提升了我们在实际编程中处理并发问题的能力。
八、参考文献
1. Dijkstra, E. W. (1965). "Solution of a problem in concurrent programming control". Communications of the ACM, 8(9), 569–571.
2. Tanenbaum, A. S. (2001). Modern Operating Systems. Prentice Hall.
3. 鸟哥. (2017). Linux 私房菜. 人民邮电出版社.
