【操作系統】進程(線程)間同步互斥問題——熟睡的理髮師問題

問題描述:

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熟睡的理髮師問題描述的是多個進程(線程)之間的通信與同步問題:

• 有一個理髮師的椅子，和n個顧客的椅子
• 如果有顧客在椅子上等，那麼理髮師爲他剪髮，否則理髮師就在自己的椅子上睡覺。
• 如果理髮師在熟睡，那麼顧客會叫醒理髮師，否則顧客會看有沒有空椅子，有的話，他坐下等，否則，他將離開理髮店。

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問題分析：

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• 首先是避免死鎖，也就是理髮師一直在睡覺，所以我們採取讓顧客叫醒理髮師的方式，只要理髮師一空閒下來，等待的顧客就會叫醒理髮師。
• 因爲顧客的座位是顧客進程(線程)共享的，所以要防止發生衝突

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基本思路:

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• 利用信號量來解決這個問題:

  • 首先顧客的座位被所有顧客進程(線程)共享，所以要設置互斥量mutex，來防止多個進程(線程)同時修改內存造成的錯誤
  • 理髮師只有一個，所以需要設置信號量，來讓顧客判斷何時叫醒理髮師。
  • 顧客可以最多有座位個，需要設置信號量，讓理髮師判斷是否去睡覺。
  • 顧客會在獲得互斥鎖後，查看剩餘座位數，來決定走或者留

• 爲了簡單，下面採取線程的方式實現
  

僞碼實現：

    引入3個信號量和一個控制變量：

    1)控制變量waiting用來記錄等候理髮的顧客數，初值均爲0; 

    2)信號量customers用來記錄等候理髮的顧客數，並用作阻塞理髮師進程，初值爲0; 

    3)信號量barbers用來記錄正在等候顧客的理髮師數，並用作阻塞顧客進程，初值爲0（剛開始時理髮師在睡覺,所以理髮師這個資源數目爲0）; 

    4)信號量mutex用於互斥，初值爲1. 

關於p，v操作：

     P操作可以看做是申請一個資源，不管這個資源有沒有都將這個資源的數目減1，如果現在資源數目小於0，就阻塞。

     v操作就是釋放資源，先將這個資源的數目加1，如果發現這個資源數目小於等於0，就會喚醒在阻塞隊列上的一個進程。

     先做一些初始化工作：

var waiting : integer; /*等候理髮的顧客數*/
chairs:integer; /*爲顧客準備的椅子數*/ 
customers, barbers，mutex : semaphore; 
customers := 0; barbers := 0; waiting := 0; mutex := 1;

     理髮師進程：

Procedure barber; 
begin while(TRUE); /*理完一人,還有顧客嗎?*/ 
P(cutomers); /*若無顧客,理髮師睡眠*/ 
P(mutex); /*進程互斥*/ 
waiting := waiting – 1; /*等候顧客數少一個*/ 
V(barbers); /*理髮師去爲一個顧客理髮,如果babaers等於0，則顧客都會阻塞*/ 
/*剛開始時babers = 0，表示理髮師這個資源爲0，所以顧客進程執行至
P(barbers)時也無法讓理髮師爲其理髮，現在理髮師醒了，表示理髮店裏擁有
理髮師這個資源了，所以執行V(barbers)這個操作，將資源數加1，此時會喚醒
一個在隊列上阻塞的顧客*/
V(mutex); /*開放臨界區*/ 
cut-hair( ); /*正在理髮*/ 
end; 

    顧客進程：

procedure customer begin 
P(mutex); /*進程互斥*/ 
if (waiting < n) waiting := waiting+1; /* n表示椅子的數目，等候顧客數加1*/ 
V(customers); /*必要的話喚醒理髮師*/ 
V(mutex); /*開放臨界區*/ 
P(barbers); /*無理髮師, 顧客坐着養神*/ 
get-haircut( ); /*一個顧客坐下等理髮*/ 
end V(mutex); /*人滿了,走吧!*/ 
end; 

    代碼如下：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>

#define MAX 10
#define TRUE 1
#define p(x) sem_wait(&x)
#define v(x) sem_post(&x)

sem_t customer,barber;
int chairs;
pthread_mutex_t mutex;

void init ( )
{
    sem_init ( &customer , 0 , 0 );
    sem_init ( &barber , 0 , 1 );
    chairs = MAX;
}

void* _barber ( )
{
    while ( TRUE )
    {
        p(customer);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        chairs++;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(5);
        printf ( "one work done....\n" );
        v(barber);
    }
}

void* _customer ( void* arg )
{
    int *p = (int*) arg;
    int x = *p;
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    if ( chairs > 0 )
    {
        chairs--;
        v(customer);
        printf ( "the %dth customer sitting and waiting , %d customers wating...\n" , x , MAX-chairs );
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        p(barber);
    }
    else
    {
       pthread_mutex_unlock(&mutex);
       printf ( "the %dth customer go away!\n" , x );
    }
}

int main ( )
{
    int i;
    init ( );
    pthread_t b;
    pthread_t pthreads[MAX*100];
    int cid[MAX*100];
    pthread_create ( &b , NULL , _barber , NULL );
    for ( i = 0 ; i < MAX*100 ; i ++ )
    {
        sleep(1);
        cid[i] = i;
        pthread_create ( &pthreads[i] , NULL , _customer , &cid[i] );
    }
    pthread_join ( b , NULL );
    for ( i = 0 ; i < MAX*100 ; i++ )
        pthread_join ( cid[i] , NULL );
}