问题解构
具体描述
主程序中可以输入椅子的数量、理发师的数量（可大于1）以及顾客流量（10~20），多个顾客线程和理发师线程应该能够正确的并发执行。程序应输出并发执行的过程，能够正确统计并显示每个理发师服务的顾客数，以及因无座位直接离开的顾客数。
要求剖析
输入变量 + 理发师问题 + 并发执行 = 多理发师问题
基本思路
通过信号量的设置来解决阻塞；多理发师共享顾客队列。
算法原理
- 所有理发师使用相同的程序段
- 所有顾客使用相同的程序段
- 使用自旋锁保证理发师和理发师互斥
- 使用互斥锁保证理发师和顾客互斥
相关调用
- Linux信号量工具：
#include<semaphore.h>中定义了很多信息量操作中常用的数据结构和系统函数，下面罗列本次实验将用到的：
sem_t：具体信号量的数据结构
sem_init ：用于创建信号量，并能初始化它的值
sem_wait：相当于wait操作
sem_post：相当于signal操作 - POSIX线程相关：
#include<pthread.h>中用到的数据类型和函数如：
pthread_t：用于声明线程ID
pthread_create ：创建一个线程
pthread_join：阻塞当前线程，直到另外一个线程运行结束 - 常用标准库等
项目方案
操作环境
- VMware Workstation Pro
- Ubuntu 18.04.2 LTS
流程图
- 多线程流程
- 算法流程
数据结构
int waiting=0; //等待中的顾客数
int working=0; //统计理发师情况
int leave = 0; //因没有座位而直接离开的顾客数
int served[] = {0}; //统计各个理发师服务的顾客数
Int count = 0; //统计理发师服务的总顾客数
semaphore customer=0; //是否有顾客，用于理发师和顾客之间的同步信号量
semaphore barber=0; //理发师状态，用于顾客之间互斥使用理发师资源
semaphore worker = BNUM; //自旋锁
semaphore mutex=1; //理发师和理发师之间的互斥锁
semaphore mutex2=1; //顾客与理发师之间的互斥锁
伪代码
- 顾客进程
//顾客进程没有while
wait(mutex2);
if(waiting==N)
{//离开;signal(mutex2);}
else
{ //进店坐下;
waiting++;
if(waiting==1&&working<0)
//第一位顾客
working++;
signal(customer);
signal(mutex2);
wait(barber); //测试理发师
//正在理发
//离开
}
- 理发师进程
//理发师
while(true)
{
wait(worker);
wait(mutex);
if(waiting==0) {
working--;
signal(worker);
signal(mutex);
wait(customer)}
else{
signal(barber);
//为一位顾客理发;
waiting--;
signal(mutex);
signal(worker);
}
//顾客理发结束;
}
测试数据
- 固定测试数据（调试用）
① 10张椅子；2名理发师；20位顾客
② 5张椅子；5名理发师；10位顾客
③ 10张椅子；10名理发师；8位顾客 - 任意/随机测试数据（测试用）
预期输出结果
依次输入设置变量；
开店；
没有顾客，N名理发师正在睡觉；
第0号顾客进店；
第0号顾客坐下等待理发；
等待人数+1；
第0号理发师被唤醒；
第0号理发师开始理发；
工作人数+1；
第0号顾客正在被理发；
等待人数-1；
第1号顾客进店；
。。。。。。
第X号顾客进店；
第X号顾客坐下等待理发；
等待人数+1；
第X+1号顾客进店；
第X+1号顾客坐下等待理发；
等待人数+1；
。。。。。。
第Y号顾客进店；
无空位，顾客离开；
离开人数+1；
。。。。。。
第M号顾客理发结束；
服务人数+1；
。。。。。。
没有顾客，N名理发师正在睡觉；
关店；
顾客总数，离开总数；
部分源码
void *barber(void *arg) //理发师线程
{
while(1){
struct timeval tv;
gettimeofday(&tv, NULL);
srand(tv.tv_sec + tv.tv_usec + getpid()); //毫秒级种子
CUT_TIME = rand()%10001;
sem_wait(&worker);
sem_wait(&mutex);
if(waiting == 0)
{
//没有顾客，理发师睡觉，等待cus信号
printf("********没有顾客,第 %ld 号理发师正在睡觉!*********\n",(unsigned long )arg);
working--;
sem_post(&mutex);
sem_post(&worker);
sem_wait(&cus); //等待顾客进店
}
else
{
//唤醒一位顾客开始理发
sem_post(&bar);
waiting--;
//统计人数
printf("第 %ld 号理发师开始理发,已服务人数:%d\n",(unsigned long )arg,served[(unsigned long )arg]);
//printf("本次理发时间：%d\n",CUT_TIME);
printf("一位顾客正在理发,等待理发的顾客数: %d\n",waiting);
sem_post(&mutex); //保证理发师之间互斥
//理发
usleep(CUT_TIME); //非必要语句,控制理发速度,模拟理发师的效率,程序执行过程与该值密切相关.
printf("一位顾客理发结束!\n");
count++;
served[(unsigned long )arg]++;
sem_post(&worker); //保证理发师只能同时为一位顾客理发
}
}
}
void *customer(void *arg) //顾客线程
{
struct timeval tv;
gettimeofday(&tv, NULL);
srand(tv.tv_sec + tv.tv_usec + getpid()); //毫秒级种子
LEAVE_TIME = rand()%11;
sem_wait(&mutex2); //互斥锁
printf("第 %ld 号顾客进店...\n",(unsigned long )arg);
if(waiting == SNUM) //没有空位，顾客离开.
{
//统计离开人数
leave++;
sem_post(&mutex2);
printf("没有座位,第 %ld 号顾客离开!离开人数:%d\n",(unsigned long )arg,leave);
}
else
{
//统计等待人数
waiting++;
printf("第 %ld 号顾客坐下等待理发,等待理发的顾客数:%d\n",(unsigned long )arg,waiting);
if(waiting == 1 && working < 0) //如果是第一位顾客，唤醒理发师，唤醒之后工作到没有顾客为止
{
//唤醒理发师
printf("一位理发师被唤醒,正在准备理发!\n");
//统计工作理发师人数
working++;
//printf("目前工作的理发师为：%d\n",BNUM+working);
sem_post(&cus);
}
sem_post(&mutex2);
sem_wait(&bar);
//等待理发师
}
usleep(LEAVE_TIME); //非必要语句,控制客人离开速度
}
运行结果
结果分析
主要分析两个地方，一是有没有出现理发师和理发师抢顾客的情况，二是各自的服务人数和总服务人数的统计有没有出错；经过检查验证与预期结果基本一致。
项目总结
-
本项目的核心点在于信号量及其PV操作，其实所有的进程同步经典例子都是一样的；可以把信号量理解为一把钥匙，而PV操作则决定了你能不能拿到这把钥匙，拿到了，你才能继续执行，拿不到，你就得一直等待；
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上述程序仅实现了最基本的要求，实际上后续可以摸索更多的功能，比如VIP客户机制（引入优先级），突发情况（插队、引入抢占）等等，还是蛮有意思的；
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理发师问题是操作系统的经典问题，也是非常灵活的项目之一，好好理解其中的原理，把一个问题把玩透彻，定会受益匪浅；
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前路漫漫，任重道远，愿大家能在OS的探索路上越走越远！
