操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

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題目:用多線程同步方法解決睡眠理發(fā)師問題（Sleeping-BarberProblem)初始條件：

1．操作系統(tǒng)：Linux

2．程序設(shè)計(jì)語言：C語言

3.設(shè)有一個(gè)理發(fā)師，5把椅子（另外還有一把理發(fā)椅），幾把椅子可用連續(xù)存儲單元。

要求完成的主要任務(wù):（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）

1．技術(shù)要求：

1）為每個(gè)理發(fā)師／顧客產(chǎn)生一個(gè)線程，設(shè)計(jì)正確的同步算法2）每個(gè)顧客進(jìn)入理發(fā)室后，即時(shí)顯示“Entered〞及其線程自定義標(biāo)識，還同時(shí)顯示理發(fā)室共有幾名顧客及其所坐的位置。3）至少有10個(gè)顧客，每人理發(fā)至少3秒鐘。4）多個(gè)顧客須共享操作函數(shù)代碼。

2．設(shè)計(jì)說明書內(nèi)容要求：

1)設(shè)計(jì)題目與要求

2)總的設(shè)計(jì)思想及系統(tǒng)平臺、語言、工具等。3）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與模塊說明（功能與流程圖）

4）給出用戶名、源程序名、目標(biāo)程序名和源程序及其運(yùn)行結(jié)果。（要注明存

儲各個(gè)程序及其運(yùn)行結(jié)果的主機(jī)IP地址和目錄。）

5）運(yùn)行結(jié)果與運(yùn)行狀況

（提醒:(1)連續(xù)存儲區(qū)可用數(shù)組實(shí)現(xiàn)。

(2)編譯命令可用：cc-lpthread-o目標(biāo)文件名源文件名(3)多線程編程方法參見附件。）

1設(shè)計(jì)題目與要求

1.1設(shè)計(jì)題目

用多線程同步方法解決睡眠理發(fā)師問題（Sleeping-BarberProblem)

1.2設(shè)計(jì)要求1.2.1初始條件

（1）操作系統(tǒng)：Linux（2）程序設(shè)計(jì)語言：C語言

（3）設(shè)有一個(gè)理發(fā)師，5把椅子（另外還有一把理發(fā)椅），幾把椅子可用連續(xù)存儲單元。

1.2.2技術(shù)要求

（1）為每個(gè)理發(fā)師／顧客產(chǎn)生一個(gè)線程，設(shè)計(jì)正確的同步算法

（2）每個(gè)顧客進(jìn)入理發(fā)室后，即時(shí)顯示“Entered〞及其線程自定義標(biāo)識，還同時(shí)顯示理發(fā)

室共有幾名顧客及其所坐的位置。（3）至少有10個(gè)顧客，每人理發(fā)至少3秒鐘。（4）多個(gè)顧客須共享操作函數(shù)代碼。

2總體設(shè)計(jì)思想及開發(fā)環(huán)境與工具

2.1總體設(shè)計(jì)思想

題目中要求描述理發(fā)師和顧客的行為，因此需要兩類線程barber()和customer()分別描述理發(fā)師和顧客的行為。其中，理發(fā)師有活動有理發(fā)和睡覺兩個(gè)事件；等待和理發(fā)二個(gè)事件。店里有固定的椅子數(shù)，上面坐著等待的顧客，顧客在到來這個(gè)事件時(shí)，需判斷有沒有空閑的椅子，理發(fā)師決定要理發(fā)或睡覺時(shí)，也要判斷椅子上有沒有顧客。所以，顧客和理

發(fā)師之間的關(guān)系表現(xiàn)為：

（1）理發(fā)師和顧客之間同步關(guān)系：當(dāng)理發(fā)師睡覺時(shí)顧客近來需要喚醒理發(fā)師為其理發(fā)，當(dāng)有顧客時(shí)理發(fā)師為其理發(fā)，沒有的時(shí)候理發(fā)師睡覺。

（2）理發(fā)師和顧客之間互斥關(guān)系：由于每次理發(fā)師只能為一個(gè)人理發(fā)，且可供等侯的椅子有限只有n把，即理發(fā)師和椅子是臨界資源，所以顧客之間是互斥的關(guān)系。

（3）故引入3個(gè)信號量和一個(gè)控制變量：

ⅰ控制變量waiting用來記錄等候理發(fā)的顧客數(shù)，初值為0；

ⅱ信號量customers用來記錄等候理發(fā)的顧客數(shù)，并用作阻塞理發(fā)師進(jìn)程，初值為0；ⅲ信號量barbers用來記錄正在等候顧客的理發(fā)師數(shù)，并用作阻塞顧客進(jìn)程，初值為1；ⅳ信號量mutex用于互斥，初值為1

2.2多線程編程原理

此次在Linux下進(jìn)行多線程編程需要用到pthread_create和pthread_join這兩個(gè)函數(shù)。

2.2.1創(chuàng)立一個(gè)線程

pthread_create用來創(chuàng)立一個(gè)線程，原型為：extern

int

pthread_create((pthread_t

*__thread,

__const

pthread_attr_t

*__attr,void

*(*__start_routine)(void*),void*__arg))

第一個(gè)參數(shù)為指向線程標(biāo)識符的指針，其次個(gè)參數(shù)用來設(shè)置線程屬性，第三個(gè)參數(shù)是線程運(yùn)行函數(shù)的起始地址，最終一個(gè)參數(shù)是運(yùn)行函數(shù)的參數(shù)。函數(shù)thread不需要參數(shù)時(shí)，最終一個(gè)參數(shù)設(shè)為空指針。其次個(gè)參數(shù)設(shè)為空指針時(shí)，將生成默認(rèn)屬性的線程。創(chuàng)立線程成功后，新創(chuàng)立的線程則運(yùn)行參數(shù)三和參數(shù)四確定的函數(shù)，原來的線程則繼續(xù)運(yùn)行下一行代碼。

2.2.2等待一個(gè)線程終止

pthread_join用來等待一個(gè)線程的終止，函數(shù)原型為：

externintpthread_join__P((pthread_t__th,void**__thread_return));

第一個(gè)參數(shù)為被等待的線程標(biāo)識符，其次個(gè)參數(shù)為一個(gè)用戶定義的指針，它可以用來存

儲被等待線程的返回值。這個(gè)函數(shù)是一個(gè)線程阻塞的函數(shù)，調(diào)用它的函數(shù)將一直等待到被等待的線程終止為止，當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，被等待線程的資源被收回。

2.2.3信號量

（1）函數(shù)sem_init（）用來初始化一個(gè)信號量，函數(shù)原型為：

externintsem_init__P((sem_t*__sem,int__pshared,unsignedint__value));sem為指向信號量結(jié)構(gòu)的一個(gè)指針；pshared不為０時(shí)此信號量在進(jìn)程間共享，否則只能為當(dāng)前進(jìn)程的所有線程共享；value給出了信號量的初始值。（2）函數(shù)sem_post(sem_t*sem)用來增加信號量的值。

當(dāng)有線程阻塞在這個(gè)信號量上時(shí)，調(diào)用這個(gè)函數(shù)會使其中的一個(gè)線程不在阻塞，選擇機(jī)制同樣是由線程的調(diào)度策略決定的。

（3）函數(shù)sem_wait(sem_t*sem)被用來阻塞當(dāng)前線程直到信號量sem的值大于0，解除

阻塞后將sem的值減一，說明公共資源經(jīng)使用后減少。函數(shù)sem_trywait(sem_t*sem)是函數(shù)sem_wait（）的非阻塞版本，它直接將信號量sem的值減一。

2.3偽碼實(shí)現(xiàn)

difinen5；//為顧客準(zhǔn)備的椅子數(shù)為5semaphoremutex=1；//用于互斥

semaphorecustomers=0；//等候理發(fā)的顧客數(shù)semaphorebarbers=1；//正在等候顧客的理發(fā)師數(shù)

intwaiting=0；//等候理發(fā)的顧客數(shù)//理發(fā)師線程voidbarber(){

while(true)//判斷有無顧客

{

wait(customers);//若無顧客,理發(fā)師睡眠

wait(mutex);//互斥

waiting--;//等候顧客數(shù)少一個(gè)signal(mutex);//釋放臨界資源

signal(barber);//cut_hair;//}}//顧客線程

voidcustomer(){

wait(mutex);//if(waiting2.4開發(fā)環(huán)境與工具

系統(tǒng)平臺：LINUX環(huán)境實(shí)現(xiàn)語言：C語言開發(fā)工具：NANO編輯器

3數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與模塊說明

3.1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

通過分析課程設(shè)計(jì)要求，定義以下的數(shù)據(jù):

sem_tmutex,customers,barbers;//designthreesemaphores:mutex,customer,barbersintwaiting=0;//thenumberofwaitingcustomersintchair[5];

3.2程序模塊說明3.2.1主函數(shù)模塊

主函數(shù)流程圖如下：

3.2.2理發(fā)師模塊

理發(fā)師模塊函數(shù)流程圖如下：

3.2.3顧客模塊

顧客模塊函數(shù)流程圖如下：

源程序代碼

#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

第三次運(yùn)行結(jié)果如下圖；

6調(diào)試記錄

6.1調(diào)試記錄

周一因有培訓(xùn)與課設(shè)時(shí)間沖突，故沒有上機(jī)操作，查閱了相關(guān)書籍，并在網(wǎng)上查找了相關(guān)資料，了解了linux多線程編程的原理，應(yīng)注意的問題，及一些常用命令

周二先設(shè)計(jì)出了該程序的偽代碼即其wait、signal操作。然后，根據(jù)其要求進(jìn)行編程，由于使用的是多線程編程，開始進(jìn)行編譯的時(shí)候，編譯命令輸入錯(cuò)誤，沒有輸入-lpthread，程序總是出現(xiàn)錯(cuò)誤。同時(shí)，創(chuàng)立線程函數(shù)時(shí)，由于對其格式輸入錯(cuò)誤導(dǎo)致程序無法運(yùn)行。例如sb.c，sb1.c等都為本次調(diào)試時(shí)的程序。

周三主要是不斷的調(diào)試并完善程序。程序可以運(yùn)行，但與要求總有些不符，故不斷的進(jìn)行修改，并對其輸出的格式進(jìn)行完善，使其輸出看起來美觀一些，簡單觀測一些。例如s.c，b.c等程序?yàn)榇舜握{(diào)試結(jié)果。

周四主要是在原有代碼的基礎(chǔ)上，使程序更完整些。并進(jìn)行結(jié)果的截圖，開始設(shè)計(jì)并編寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。

6.2自我評析和總結(jié)

通過本次編程我熟悉了linux下的多線程編程和信號量實(shí)現(xiàn)wait、signal操作的全過程，對同步和互斥問題也有了更深一步的理解，同時(shí)，也使我對linux編程有了更