操作系统课程设计--用多线程同步方法解决睡眠理发师问题(Sleepin

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

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： extern

int

pthread_create((pthread_t

*__thread,

__const

pthread_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：

extern int pthread_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：

extern int sem_init __P ((sem_t *__sem, int __pshared, unsigned int __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

difine n 5； //为顾客准备的椅子数为5 semaphore mutex=1； //用于互斥

semaphore customers=0；//等候理发的顾客数 semaphore barbers=1；//正在等候顾客的理发师数

int waiting=0； //等候理发的顾客数 //理发师线程 void barber() {

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); //cut_hair; // } } //顾客线程

void customer() {

wait(mutex); // if (waiting

waiting++; // signal(mutex); //signal(customers); // wait(barber); // get_haircut; //}

else

signal(mutex); //}

}

理发师去为一个顾客理发 正在理发

互斥

如果有空椅子，则等待 等候顾客数加1

释放临界资源

如果理发师睡觉，唤醒理发师理发师在理发, 顾客等候 顾客坐下等理发师

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_t mutex,customers,barbers; //design three semaphores: mutex,customer,barbers int waiting=0; //the number of waiting customers int chair[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

#define n 5 //the shop have five chairs

//design three semaphores: mutex,customer,barbers sem_t mutex,customers,barbers;

int waiting=0; //the number of waiting customers int chair[5]; void * barber();

void * customer(void *arg);

int main(int argc,char *argv[]) {

//create 10 semaphores and one Barber semaphore pthread_t Customer_id[10],Barber_id; int i;

sem_init(&mutex,0,1); //init mutex semaphore to 1 sem_init(&customers,0,0);//init semaphore customers to 0 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); return 0; }

//creat barber pthread

void * barber() {

int i; int next;

//wait(customers),if no customers,barber sleeping sem_wait(&customers);

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

waiting--; //the numer of waiting reduce one for(i=0;i<5;i++) {

if (chair[i]!=0) {

next= chair[i]; chair[i]=0; break; } }

printf(\ sleep(3); sem_post(&mutex); sem_post(&barbers); }

//creat customer pthread void * customer(void *arg) {

int i;

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

if(waiting

waiting++; //the numer of waiting plus one for(i=0;i<5;i++) {

if (chair[i]==0) {

chair[i]=(int)arg; break; } }

printf(\ printf(\%d customer comes,and sits at %d \\n\

printf(\ printf(\ for(i=0;i<5;i++)

printf(\ printf(\

sleep(1);

sem_post(&mutex); //signal(mutex)

sem_post(&customers); //signal(customers) sem_wait(&barbers); //wait(barbers) } else

chair {

printf(\%d comes,there are no chairs,the customer %d is leaving\\n\ 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。

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