操作系统课程设计理发师问题的实现

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实践教学

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兰州理工大学

计算机与通信学院

2011年秋季学期

课程设计

题 目：理发师问题的实现 专业班级：计算机科学与技术

姓 名：学 号：

指导教师：成 绩：

摘 要

理发师问题是一个利用信号量进行PV操作的经典问题。设计程序实现此问题，要使得理发师的活动与顾客的活动得到各自真实的模拟。所执行的程序应体现：理发师在没有顾客的时候去睡觉，有顾客则工作；顾客在理发师工作时坐下等待，无座时离开，直至等到理发师自己理发。

关键字：理发师，顾客，PV操作。

目录

摘 要 .............................................................................................................................................. 2

1 设计要求....................................................................................................................................... 4

1.1初始条件 .................................................................................................................... 4

1.2技术要求 .................................................................................................................... 4

2 总体设计思想及开发环境与工具 ............................................................................................... 4

2.1 总体设计思想 ................................................................................................................... 4

2.2 多线程编程原理 ............................................................................................................... 5

2.2.1 创建一个线程 ....................................................................................................... 5

2.2.2 等待一个线程结束 ............................................................................................... 5

2.2.3 信号量 ................................................................................................................... 6

2.3 伪码实现 ........................................................................................................................... 6

2.4 开发环境与工具 ............................................................................................................... 8

3数据结构与模块说明 .................................................................................................................... 8

3.1 数据结构 ........................................................................................................................... 8

3.2函数的调用关系图 ............................................................................................................ 8

3.2.1主函数模块 ............................................................................................................ 8

3.2.2 理发师模块 ........................................................................................................... 9

3.2.3 顾客模块 ............................................................................................................. 10

5运行结果...................................................................................................................................... 10

5.1运行步骤 .......................................................................................................................... 10

5.2测试结果 .......................................................................................................................... 11

5.2.1 编辑，编译和运行的过程图 ............................................................................... 11

5.2.2 错误部分截图 ....................................................................................................... 12

5.2.3 正确运行结果图 ................................................................................................... 12

设计总结......................................................................................................................................... 16

参考文献......................................................................................................................................... 17

致谢 ................................................................................................................................................ 18

附录（源程序代码） ..................................................................................................................... 19

1 设计要求

1.1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

mutex,customer,barbers

int waiting=0; //the number of waiting customers

int chair[5];

3.2函数的调用关系图

3.2.1主函数模块

主函数流程图如下： semaphores:

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：

5运行结果

5.1运行步骤

(1) 打开桌面上的putty.exe，输入IP地址192.168.1.254，进入开发环境。创建一个用来写程序的文件，这里用的是nano编辑器来编写c程序。创建SleepingBarber.c的命令为：nano 进入编辑环境，输入代码，结束后按ctrl+x保存为SleepingBarber.c，进入文件的命令为：nano SleepingBarber.c，然后

可以对其进行修改。

(2) 编译源程序，编译命令为：

cc -lpthread -o SleepingBarber SleepingBarber.c

(3) 编译无错误后，运行程序，命令为：

./ SleepingBarber

5.2测试结果

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；

设计总结

两周的的操作系统课程设计终于完成了，回想这两周的努力，感触良多。拿到题目时我不知从何下手，想想自己对Liunx一无所知，无奈，只好去查阅相关书籍，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

第一周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。

第二周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。

然后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说明书。

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。

参考文献

1. 汤子瀛，哲凤屏.《计算机操作系统》.西安电子科技大学学出版社.

2. 王清，李光明.《计算机操作系统》.冶金工业出版社.

3.孙钟秀等. 操作系统教程. 高等教育出版社

4.曾明. Linux操作系统应用教程. 陕西科学技术出版社.

5. 张丽芬，刘利雄.《操作系统实验教程》. 清华大学出版社.

6. 孟静， 操作系统教程－－原理和实例分析. 高等教育出版社

7. 周长林，计算机操作系统教程. 高等教育出版社

8. 张尧学，计算机操作系统教程，清华大学出版社

9. 任满杰，操作系统原理实用教程，电子工业出版社

致谢

在此次课程设计的过程中，我首先要感谢我的指导老师张永老师，给了我很大的帮助，与此同时感谢宿舍的舍友，对此次课程设计的程序的调试工作给予了大力的帮助。

附录（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

pthread_create(&Barber_id,NULL,(void*)barber,NULL);

for (i=0;i

pthread_create(&Customer_id[i],NULL,(void*)customer,(void*)(i+1)); for (i=0;i

pthread_join(Customer_id[i],NULL);

for(i=0;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

{

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

{

if (chair[i]==0)

{

chair[i]=(int)arg;

break;

}

}

printf(

printf(

printf(

for(i=0;i

printf(

printf(

sleep(1);

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

sem_post(&customers); //signal(customers)

sem_wait(&barbers); //wait(barbers)

}

else

{

printf(

sem_post(&mutex);

}

}