操作系统课程设计

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题目:用多线程同步方法解决睡眠理发师问题（Sleeping-BarberProblem)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）运行结果与运行状况

（提醒:(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创立一个线程

pthread_create用来创立一个线程，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，其次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，最终一个参数是运行函数的参数。函数thread不需要参数时，最终一个参数设为空指针。其次个参数设为空指针时，将生成默认属性的线程。创立线程成功后，新创立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等待一个线程终止

pthread_join用来等待一个线程的终止，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，其次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终止为止，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，说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5semaphoremutex=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);//cut_hair;//}}//顾客线程

voidcustomer(){

wait(mutex);//if(waiting2.4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,barbersintwaiting=0;//thenumberofwaitingcustomersintchair[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,barberssem_tmutex,customers,barbers;

intwaiting=0;//thenumberofwaitingcustomersintchair[5];void*barber();

void*customer(void*arg);

intmain(intargc,char*argv[]){

//create10semaphoresandoneBarbersemaphorepthread_tCustomer_id[10],Barber_id;inti;

sem_init(//initmutexsemaphoreto1sem_init(//initsemaphorecustomersto0sem_init(

for(i=0;ivoid*barber(){

inti;intnext;

//wait(customers),ifnocustomers,barbersleepingsem_wait(

sem_wait(//wait(mutex)

waiting--;//thenumerofwaitingreduceonefor(i=0;i

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，创立线程函数时，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，简单观测一些。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