【操作系统】进程(线程)间同步互斥问题——熟睡的理发师问题

问题描述:

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熟睡的理发师问题描述的是多个进程(线程)之间的通信与同步问题:

• 有一个理发师的椅子，和n个顾客的椅子
• 如果有顾客在椅子上等，那么理发师为他剪发，否则理发师就在自己的椅子上睡觉。
• 如果理发师在熟睡，那么顾客会叫醒理发师，否则顾客会看有没有空椅子，有的话，他坐下等，否则，他将离开理发店。

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问题分析：

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• 首先是避免死锁，也就是理发师一直在睡觉，所以我们采取让顾客叫醒理发师的方式，只要理发师一空闲下来，等待的顾客就会叫醒理发师。
• 因为顾客的座位是顾客进程(线程)共享的，所以要防止发生冲突

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基本思路:

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• 利用信号量来解决这个问题:

  • 首先顾客的座位被所有顾客进程(线程)共享，所以要设置互斥量mutex，来防止多个进程(线程)同时修改内存造成的错误
  • 理发师只有一个，所以需要设置信号量，来让顾客判断何时叫醒理发师。
  • 顾客可以最多有座位个，需要设置信号量，让理发师判断是否去睡觉。
  • 顾客会在获得互斥锁后，查看剩余座位数，来决定走或者留

• 为了简单，下面采取线程的方式实现
  

伪码实现：

    引入3个信号量和一个控制变量：

    1)控制变量waiting用来记录等候理发的顾客数，初值均为0; 

    2)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; 

    3)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0（刚开始时理发师在睡觉,所以理发师这个资源数目为0）; 

    4)信号量mutex用于互斥，初值为1. 

关于p，v操作：

     P操作可以看做是申请一个资源，不管这个资源有没有都将这个资源的数目减1，如果现在资源数目小于0，就阻塞。

     v操作就是释放资源，先将这个资源的数目加1，如果发现这个资源数目小于等于0，就会唤醒在阻塞队列上的一个进程。

     先做一些初始化工作：

var waiting : integer; /*等候理发的顾客数*/
chairs:integer; /*为顾客准备的椅子数*/ 
customers, barbers，mutex : semaphore; 
customers := 0; barbers := 0; waiting := 0; mutex := 1;

     理发师进程：

Procedure barber; 
begin while(TRUE); /*理完一人,还有顾客吗?*/ 
P(cutomers); /*若无顾客,理发师睡眠*/ 
P(mutex); /*进程互斥*/ 
waiting := waiting – 1; /*等候顾客数少一个*/ 
V(barbers); /*理发师去为一个顾客理发,如果babaers等于0，则顾客都会阻塞*/ 
/*刚开始时babers = 0，表示理发师这个资源为0，所以顾客进程执行至
P(barbers)时也无法让理发师为其理发，现在理发师醒了，表示理发店里拥有
理发师这个资源了，所以执行V(barbers)这个操作，将资源数加1，此时会唤醒
一个在队列上阻塞的顾客*/
V(mutex); /*开放临界区*/ 
cut-hair( ); /*正在理发*/ 
end; 

    顾客进程：

procedure customer begin 
P(mutex); /*进程互斥*/ 
if (waiting < n) waiting := waiting+1; /* n表示椅子的数目，等候顾客数加1*/ 
V(customers); /*必要的话唤醒理发师*/ 
V(mutex); /*开放临界区*/ 
P(barbers); /*无理发师, 顾客坐着养神*/ 
get-haircut( ); /*一个顾客坐下等理发*/ 
end V(mutex); /*人满了,走吧!*/ 
end; 

    代码如下：

#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 );
}