系统调用中的信号量PV操作 理发师问题.docx

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系统调用中的信号量PV操作理发师问题

n理发师问题：

一个理发店由一间等候室W和一间工作室B组成。

顾客可以从外面大街上进入W等候理发。

两个房间的入口是并排的，且共享一扇日本式可滑动的推拉门（门总是挡住一个入口）。

顾客在工作室内理完发，可由B的旁门出去。

W中有N把椅子，顾客必须坐着等候。

理发师可由门上小窗查看W中无人就睡觉，否则开门，并叫一位顾客入内理发。

顾客每进入一位，都拉铃通知理发师。

若把顾客和理发师都视为进程，请用P、V操作写出进程的同步算法。

n要求打印：

题目中要求描述理发师和顾客的行为，因此需要两类线程barber（）和customer（）分别描述理发师和顾客的行为。

其中，理发师有活动有理发和睡觉两个事件；等待和理发二个事件。

店里有固定的椅子数，上面坐着等待的顾客，顾客在到来这个事件时，需判断有没有空闲的椅子，理发师决定要理发或睡觉时，也要判断椅子上有没有顾客。

所以，顾客和理发师之间的关系表现为：

（1）理发师和顾客之间同步关系：

当理发师睡觉时顾客近来需要唤醒理发师为其理发，当有顾客时理发师为其理发，没有的时候理发师睡觉。

（2）理发师和顾客之间互斥关系：

由于每次理发师只能为一个人理发，且可供等侯的椅子有限只有n把，即理发师和椅子是临界资源，所以顾客之间是互斥的关系。

（3）故引入3个信号量和一个控制变量：

ⅰ控制变量waiting用来记录等候理发的顾客数，初值为0；

ⅱ信号量customers用来记录等候理发的顾客数，并用作阻塞理发师进程，初值为0；

ⅲ信号量barbers用来记录正在等候顾客的理发师数，并用作阻塞顾客进程，初值为1；ⅳ信号量mutex用于互斥，初值为1

usingSystem;

usingSystem.Collections.Generic;

usingSystem.Text;

usingSystem.Threading;

namespace理发师问题2

{

internalclassProgram

{

//Fields

privatestaticSemaphorebarbers=newSemaphore（1,10）;

privatestaticintchairs;

privatestaticintcount=0;

privatestaticSemaphorecustomers=newSemaphore（0,10）;

privatestaticintfinish=0;

privatestaticSemaphoremtx=newSemaphore（1,10）;

privatestaticintwaiting=0;

//Methods

publicstaticvoidbarber（）

{

while（true）

{

customers.WaitOne（）;

mtx.WaitOne（）;

waiting--;

barbers.Release（）;

mtx.Release（）;

cuthair（）;

finish++;

}

}

publicstaticvoidcustomer（）

{

mtx.WaitOne（）;

count++;

Console.WriteLine（"叮咚！

第{0}个顾客来了",count）;

if（waiting

{

if（waiting>0）

{

Console.WriteLine（"此时有{0}个人在等待理发",waiting）;

}

else

{

Console.WriteLine（"没有人在等待"）;

}

waiting++;

Console.WriteLine（"还有{0}个座位,顾客留下",（chairs-waiting）+1）;

mtx.Release（）;

customers.Release（）;

barbers.WaitOne（）;

gethaircut（）;

}

else

{

Console.WriteLine（"座位已满，第{0}个顾客离开",count）;

mtx.Release（）;

}

}

publicstaticvoidcuthair（）

{

Console.WriteLine（"开始理发！

这是理发师的第{0}个顾客.",finish+1）;

Thread.Sleep（0x2328）;

Console.WriteLine（"理发完成!

"）;

}

publicstaticvoidgethaircut（）

{

Thread.Sleep（0x238c）;

Console.WriteLine（"第{0}个顾客理发完毕,离开.",finish）;

}

privatestaticvoidMain（string[]args）

{

stringstr=string.Empty;

Console.WriteLine（"请输入椅子的总数目:

"）;

chairs=Convert.ToInt32（Console.ReadLine（））;

Console.WriteLine（"理发店共有{0}把椅子",chairs）;

Console.WriteLine（"开门接待顾客吗?

Y/N"）;

for（stringstr2=Console.ReadLine（）;（str2!

="Y"）&&（str2!

="y"）;str2=Console.ReadLine（））

{

Console.WriteLine（"********对不起，尚未开门！

********"）;

Console.WriteLine（"开门接待顾客吗?

Y/N"）;

}

Console.WriteLine（"********营业中，欢迎光临！

********"）;

newThread（newThreadStart（Program.barber））.Start（）;

while（（str!

="y"）&&（str!

="Y"））

{

Randomrandom=newRandom（DateTime.Now.Millisecond）;

Thread.Sleep（random.Next（1,0x2710））;

Console.WriteLine（"*******************************"）;

newThread（newThreadStart（Program.customer））.Start（）;

if（（finish>=10）&&（waiting==0））

{

Console.WriteLine（"已经为{0}个顾客理发了，要关门下班吗?

（Y/N）",finish）;

str=Console.ReadLine（）;

}

if（（str=="Y"）||（str=="y"））

{

Console.WriteLine（"************暂停营业！

**********"）;

break;

}

}

}

}

}

题目:

用多线程同步方法解决睡眠理发师问题（Sleeping-BarberProblem）

理发店有一位理发师，一把理发椅和n把用来等候理发的椅子。

如果没有顾客，则更好师便在理发椅上睡觉，顾客到来时，如理发师闲则理发，否则如有空等候椅则坐等，没有空椅则离开，编写程序实现理发师和顾客程序，实现进程控制，要求不能出现竞争。

2．将1题中问题修改为有两位理发师，设计程序实现同步控制。

问题提示：

可以用一个变量waiting来记录等候理发的顾客数，另使用三个信号量：

用来记录等候理发的顾客数customers；用来记录理发师是否空闲的信息号量barbers，一个用于互斥访问waiting变量的mutex。

1已经做好了，只是想把理发师扩充问两个，求助！

初始条件：

1．操作系统：

Linux

2．程序设计语言：

C语言

3.设有一个理发师，5把椅子（另外还有一把理发椅），几把椅子可用连续存储单元。

要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1．技术要求：

1）为每个理发师／顾客产生一个线程，设计正确的同步算法

2）每个顾客进入理发室后，即时显示“Entered”及其线程自定义标识，还同时显示理发室共有几名顾客及其所坐的位置。

3）至少有10个顾客，每人理发至少3秒钟。

4）多个顾客须共享操作函数代码。

2．设计说明书内容要求：

1）设计题目与要求

2）总的设计思想及系统平台、语言、工具等。

3）数据结构与模块说明（功能与流程图）

4）给出用户名、源程序名、目标程序名和源程序及其运行结果。

（要注明存储各个程序及其运行结果的主机IP地址和目录。

）

5）运行结果与运行情况

（提示:

（1）连续存储区可用数组实现。

（2）编译命令可用：

　cc-lpthread-o　目标文件名　　源文件名

（3）多线程编程方法参见附件。

）

1设计题目与要求

1.1设计题目

用多线程同步方法解决睡眠理发师问题（Sleeping-BarberProblem）

1.2设计要求

1.2.1初始条件

（1）操作系统：

Linux

（2）程序设计语言：

C语言

（3）设有一个理发师，5把椅子（另外还有一把理发椅），几把椅子可用连续存储单元。

1.2.2技术要求

（1）为每个理发师／顾客产生一个线程，设计正确的同步算法

（2）每个顾客进入理发室后，即时显示“Entered”及其线程自定义标识，还同时显示理发室共有几名顾客及其所坐的位置。

（3）至少有10个顾客，每人理发至少3秒钟。

（4）多个顾客须共享操作函数代码。

2总体设计思想及开发环境与工具

2.1总体设计思想

题目中要求描述理发师和顾客的行为，因此需要两类线程barber（）和customer（）分别描述理发师和顾客的行为。

其中，理发师有活动有理发和睡觉两个事件；等待和理发二个事件。

店里有固定的椅子数，上面坐着等待的顾客，顾客在到来这个事件时，需判断有没有空闲的椅子，理发师决定要理发或睡觉时，也要判断椅子上有没有顾客。

所以，顾客和理发师之间的关系表现为：

（1）理发师和顾客之间同步关系：

当理发师睡觉时顾客近来需要唤醒理发师为其理发，当有顾客时理发师为其理发，没有的时候理发师睡觉。

（2）理发师和顾客之间互斥关系：

由于每次理发师只能为一个人理发，且可供等侯的椅子有限只有n把，即理发师和椅子是临界资源，所以顾客之间是互斥的关系。

（3）故引入3个信号量和一个控制变量：

ⅰ控制变量waiting用来记录等候理发的顾客数，初值为0；

ⅱ信号量customers用来记录等候理发的顾客数，并用作阻塞理发师进程，初值为0；

ⅲ信号量barbers用来记录正在等候顾客的理发师数，并用作阻塞顾客进程，初值为1；ⅳ信号量mutex用于互斥，初值为1

2.2多线程编程原理

此次在Linux下进行多线程编程需要用到pthread_create和pthread_join这两个函数。

2.2.1创建一个线程

pthread_create用来创建一个线程，原型为：

externintpthread_create（（pthread_t*__thread,__constpthread_attr_t*__attr,void*（*__start_routine）（void*）,void*__arg））

第一个参数为指向线程标识符的指针，第二个参数用来设置线程属性，第三个参数是线程运行函数的起始地址，最后一个参数是运行函数的参数。

函数thread不需要参数时，最后一个参数设为空指针。

第二个参数设为空指针时，将生成默认属性的线程。

创建线程成功后，新创建的线程则运行参数三和参数四确定的函数，原来的线程则继续运行下一行代码。

2.2.2等待一个线程结束

pthread_join用来等待一个线程的结束，函数原型为：

externintpthread_join__P（（pthread_t__th,void**__thread_return））;

第一个参数为被等待的线程标识符，第二个参数为一个用户定义的指针，它可以用来存

储被等待线程的返回值。

这个函数是一个线程阻塞的函数，调用它的函数将一直等待到被

等待的线程结束为止，当函数返回时，被等待线程的资源被收回。

2.2.3信号量

（1）函数sem_init（）用来初始化一个信号量，函数原型为：

externintsem_init__P（（sem_t*__sem,int__pshared,unsignedint__value））;

sem为指向信号量结构的一个指针；pshared不为０时此信号量在进程间共享，否则只能为当前进程的所有线程共享；value给出了信号量的初始值。

（2）函数sem_post（sem_t*sem）用来增加信号量的值。

当有线程阻塞在这个信号量上时，调用这个函数会使其中的一个线程不在阻塞，选择机制同样是由线程的调度策略决定的。

（3）函数sem_wait（sem_t*sem）被用来阻塞当前线程直到信号量sem的值大于0，解除阻塞后将sem的值减一，表明公共资源经使用后减少。

函数sem_trywait（sem_t*sem）是函数sem_wait（）的非阻塞版本，它直接将信号量sem的值减一。

2.3伪码实现

difinen5；//为顾客准备的椅子数为5

semaphoremutex=1；//用于互斥

semaphorecustomers=0；//等候理发的顾客数

semaphorebarbers=1；//正在等候顾客的理发师数

intwaiting=0；//等候理发的顾客数

//理发师线程

voidbarber（）

{

while（true）//判断有无顾客

{

wait（customers）;//若无顾客,理发师睡眠

wait（mutex）;//互斥

waiting--;//等候顾客数少一个

signal（mutex）;//释放临界资源

signal（barber）;//理发师去为一个顾客理发

cut_hair;//正在理发

}

}

//顾客线程

voidcustomer（）

{

wait（mutex）;//互斥

if（waiting

{

waiting++;//等候顾客数加1

signal（mutex）;//释放临界资源

signal（customers）;//如果理发师睡觉，唤醒理发师

wait（barber）;//理发师在理发,顾客等候

get_haircut;//顾客坐下等理发师

}

else

signal（mutex）;//店里人满了,顾客离开

}

}

2.4开发环境与工具

系统平台：

LINUX环境

实现语言：

C语言

开发工具：

NANO编辑器

3数据结构与模块说明

3.1数据结构

通过分析课程设计要求，定义以下的数据:

sem_tmutex,customers,barbers;//designthreesemaphores:

mutex,customer,barbers

intwaiting=0;//thenumberofwaitingcustomers

intchair[5];

3.2程序模块说明

3.2.1主函数模块

主函数流程图如下：

3.2.2理发师模块

理发师模块函数流程图如下：

3.2.3顾客模块

顾客模块函数流程图如下：

源程序代码

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#definen5//theshophavefivechairs

//designthreesemaphores:

mutex,customer,barbers

sem_tmutex,customers,barbers;

intwaiting=0;//thenumberofwaitingcustomers

intchair[5];

void*barber（）;

void*customer（void*arg）;

intmain（intargc,char*argv[]）

{

//create10semaphoresandoneBarbersemaphore

pthread_tCustomer_id[10],Barber_id;

inti;

sem_init（&mutex,0,1）;//initmutexsemaphoreto1

sem_init（&customers,0,0）;//initsemaphorecustomersto0

sem_init（&barbers,0,1）;

for（i=0;i<5;i++）

pthread_create（&Barber_id,NULL,（void*）barber,NULL）;

for（i=0;i<10;i++）

pthread_create（&Customer_id[i],NULL,（void*）customer,（void*）（i+1））;

for（i=0;i<10;i++）

pthread_join（Customer_id[i],NULL）;

for（i=0;i<5;i++）

pthread_join（Barber_id,NULL）;

return0;

}

//creatbarberpthread

void*barber（）

{

inti;

intnext;

//wait（customers）,ifnocustomers,barbersleeping

sem_wait（&customers）;

sem_wait（&mutex）;//wait（mutex）

waiting--;//thenumerofwaitingreduceone

for（i=0;i<5;i++）

{

if（chair[i]!

=0）

{

next=chair[i];

chair[i]=0;

break;

}

}

printf（"Thebarberiscutting%dthcustomer'shair\n",next）;

sleep（3）;

sem_post（&mutex）;

sem_post（&barbers）;

}

//creatcustomerpthread

void*customer（void*arg）

{

inti;

sem_wait（&mutex）;//wait（mutex）if（waiting

if（waiting

{

waiting++;//thenumerofwaitingplusone

for（i=0;i<5;i++）

{

if（chair[i]==0）

{

chair[i]=（int）arg;

break;

}

}

printf（"***************************************************\n"）;

printf（"Entered:

Number%dcustomercomes,andsitsat%dchair\n",（int）arg,（i+1））;

printf（"Thereare%dcustomeronthechair\n",waiting）;

printf（"Thecustomers'locationare:

"）;

for（i=0;i<5;i++）

printf（"%d",chair[i]）;

printf（"\n"）;

sleep

（1）;

sem_post（&mutex）;//signal（mutex）

sem_post（&customers）;//signal（customers）

sem_wait（&barbers）;//wait（barbers）

}

else

{

printf（"Number%dcomes,therearenochairs,thecustomer%disleaving\n",（int）arg,（int）arg）;

sem_post（&mutex）;

}

}

5.2.1编辑，编译和运行的过程图

\

5.2.2错误部分截图

5.2.3正确运行结果图

第一次运行结果如下图：

第二次运行结果如下图：

第三次运行结果如下图；

6调试记录

6.1调试记录

周一因有培训与课设时间冲突，故没有上机操作，查阅了相关书籍，并在网上查找了相关资料，了解了linux多线程编程的原理，应注意的问题，及一些常用命令

周二先设计出了该程序的伪代码即其wait、signal操作。

然后，根据其要求进行编程，由于使用的是多线程编程，开始进行编译的时候，编译命令输入错误，没有输入-lpthread，程序总是出现错误。

同时，创建线程函数时，由于对其格式输入错误导致程序无法运行。

例如sb.c，sb1.c等都为本次调试时的程序。

周三主要是不断的调试并完善程序。

程序可以运行，但与要求总有些不符，故不断的进行修改，并对其输出的格式进行完善，使其输出看起来美观一些，容易观察一些。

例如s.c，b.c等程序为此次调试结果。

周四主要是在原有代码的基础上，使程序更完整些。

并进行结果的截图，开始设计并编写课程设计报告。

6.2自我评析和总结

通过本次编程我熟悉了linux下的多线程编程和信号量实现wait、signal操作的全过程，对同步和互斥问题也有了更深一步的理解，同时，也使我对linux编程有了更多的了解，在很多方面，它与在windows下编程有着很大的不同，对与多线程来说更方便一些。

设计过程中也遇到不少困难，尤其是对于多线程的实现，结果总是不如想象中完美。

比如其顾客编号的输出有时会不按顺序，输入有点乱。

另外，有时，输出结束后，程序仍无法结束，必须强制性关闭终端才可以结束程序，这是本程序的一个不足之处。

在本次课程设计中我深深感觉到自己掌握的知识还远远不够，我明白光是知道书本上的知识是远远不够的，一定要把理论知识和实践结合起来。

同时，要多多学习linux的操作。