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(Sleeping-Barber_Problem).doc

操作系统课程设计-sleeping-barber problem 学 号： 课 程 设 计题 目用多线程同步方法解决睡眠理发师问题（sleeping-barber problem)学 院计算机科学与技术学院专 业软件工程班 级姓 名指导教师2010年6月28日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 计算机科学与技术学院 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：linux2 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。）3. 调试报告：1) 调试记录2) 自我评析和总结上机时间安排：18周一 五 08：0 12：00 指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录1设计题目与要求41.1 设计题目41.2 设计要求41.2.1 初始条件41.2.2 技术要求42 总体设计思想及开发环境与工具42.1 总体设计思想42.2 多线程编程原理52.2.1 创建一个线程52.2.2 等待一个线程结束52.2.3 信号量62.3 伪码实现62.4 开发环境与工具73数据结构与模块说明83.1 数据结构83.2程序模块说明83.2.1主函数模块83.2.2 理发师模块93.2.3 顾客模块94源程序104.1用户名、源程序名和目标程序名104.2源程序代码115运行结果145.1运行步骤145.2运行结果155.2.1 编辑，编译和运行的过程图155.2.2 错误部分截图165.2.3 正确运行结果图166调试记录186.1调试记录186.2自我评析和总结197参考文献191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：控制变量waiting用来记录等候理发的顾客数，初值为0；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；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； 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); /理发师去为一个顾客理发cut_hair; /正在理发 /顾客线程void customer() wait(mutex); /互斥 if (waitingn) /如果有空椅子，则等待 waiting+; /等候顾客数加1 signal(mutex); /释放临界资源signal(customers); /如果理发师睡觉，唤醒理发师 wait(barber); /理发师在理发, 顾客等候 get_haircut; /顾客坐下等理发师 else signal(mutex); /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,barbersint waiting=0; /the number of waiting customersint chair5;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：4源程序4.1用户名、源程序名和目标程序名用户名：rj070234源程序名：sleepingbarber.c目标程序名：sleepingbarber主机ip地址：192.168.1.2544.2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,barberssem_t mutex,customers,barbers;int waiting=0; /the number of waiting customersint chair5; void * barber();void * customer(void *arg);int main(int argc,char *argv) /create 10 semaphores and one barber semaphore pthread_t customer_id10,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;i5;i+) pthread_create(&barber_id,null,(void*)barber,null); for (i=0;i10;i+) pthread_create(&customer_idi,null,(void*)customer,(void*)(i+1); for (i=0;i10;i+) pthread_join(customer_idi,null); for(i=0;i5;i+) pthread_join(barber_id,null); return 0;/creat barber pthreadvoid * 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;i5;i+) if (chairi!=0) next= chairi; chairi=0; break; printf(the barber is cutting %dth customers hairn,next); sleep(3); sem_post(&mutex); sem_post(&barbers); /creat customer pthreadvoid * customer(void *arg) int i; sem_wait(&mutex); /wait(mutex) if(waitingn) if(waitingn) waiting+; /the numer of waiting plus one for(i=0;i5;i+) if (chairi=0) chairi=(int)arg; break; printf(*n); printf(entered:number %d customer comes,and sits at %d chair n,(int)arg,(i+1); printf(there are %d customer on the chairn,waiting); printf(the customers location are:); for(i=0;i5;i+) printf(%d ,chairi); printf(n); sleep(1); sem_post(&mutex); /signal(mutex) sem_post(&customers); /signal(customers) sem_wait(&barbers); /wait(barbers) else printf(number %d comes,there are no chairs,the customer %d is leavingn,(int)arg,(int)arg); sem_post(&mutex); 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： ./ sleepingbarber5.2运行结果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；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