实验五进程同步问题实现

一、实验目的

利用实验四提供的方法和例子，解决进程同步相关问题，例如：生产者消费者问题，哲学家进餐等问题。

二、实验环境

硬件环境：计算机一台，局域网环境；

软件环境：Linux Ubuntu操作系统，gcc编译器

三、实验内容

运用实验四中提供的进程同步方法实现如下问题：

生产者消费者问题

问题描述：一组生产者进程向一组消费者进程提供产品，两类进程共享一个由n个缓冲区组成的有界缓冲池，生产者进程向空缓冲池中投放产品，消费者进程从放有数据的缓冲池中取得产品并消费掉。
只要缓冲池未满，生产者进程就可以把产品送入缓冲池；只要缓冲池未空，消费者进程便可以从缓冲池中取走产品。
但禁止生产者进程向满的缓冲池再输送产品，也禁止消费者进程从空的缓冲池中提取产品。

为了防止对缓冲池重复操作，故规定在任何时候，只有一个主体可以访问缓冲池。

/** @Description: 多个生产者消费者问题* @version: * @Author: * @Date: 2021-04-30 13:53:49* @LastEditors: Please set LastEditors* @LastEditTime: 2021-04-30 15:59:14*/// NOTE：
// *sem_init()初始化无名信号量，sem_open()是初始化有名信号量
// *第一个参数是指向信号量的指针
// *第二个参数为0，表示信号量只在这一进程的所有线程之间共享，否则，是进程间共享
// *第三个参数是初始值// *线程互斥锁的创建，上锁与解锁
// * int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t * attr)
// * 第二个参数是锁的属性
// *int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)
// *int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)// *int pthread_create((pthread_t *thread,  pthread_attr_t *attr,  void *(*start_routine)(void  *), void *arg)
// * 线程标识符
// * 线程属性
// * 线程函数地址
// * 传给函数的参数// ? 代码中如果没有pthread_join主线程会很快结束从而使整个进程结束，从而使创建的线程没有机会开始执行就结束了。加入pthread_join后，主线程会一直等待直到等待的线程结束自己才结束，使创建的线程有机会执行。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>#define PRODUCER_NUM 5 //生产者数目
#define CONSUMER_NUM 5 //消费者数目
#define POOL_SIZE 11   //缓冲池大小int pool[POOL_SIZE];   //缓冲区
int head = 0;          //缓冲池读取指针
int rear = 0;          //缓冲池写入指针
sem_t empty_sem;       //同步信号信号量，表示缓冲区有可用空间
sem_t full_sem;        //同步信号量，表示缓冲区有可用产品
pthread_mutex_t mutex; // 缓冲区互斥访问，线程互斥锁
// 生产者
void *producer_fun(void *arg)
{while (1){sleep(1);/* 空间-- */sem_wait(&empty_sem);// 关闭互斥信号量pthread_mutex_lock(&mutex);//生产者往缓冲池中写入数据pool[rear] = 1;rear = (rear + 1) % POOL_SIZE;printf("producer %d write to pool\n", (int)arg);printf("pool size is %d\n", (rear - head + POOL_SIZE) % POOL_SIZE);// 打开互斥信号量pthread_mutex_unlock(&mutex);// 产品++sem_post(&full_sem);}
}
// 消费者
void *consumer_fun(void *arg)
{while (1){int data;sleep(10);// 检查是否是产品sem_wait(&full_sem);// 关闭互斥信号量pthread_mutex_lock(&mutex);//消费者从缓冲池读取数据data = pool[head];head = (head + 1) % POOL_SIZE;printf("consumer %d read from pool\n", (int)arg);printf("pool size is %d\n", (rear - head + POOL_SIZE) % POOL_SIZE);// 打开互斥信号量pthread_mutex_unlock(&mutex);// 空闲位置++sem_post(&empty_sem);}
}int main()
{int i;pthread_t producer_id[PRODUCER_NUM];    // 生产者线程数组pthread_t consumer_id[CONSUMER_NUM];    // 消费者线程数组pthread_mutex_init(&mutex, NULL);       //初始化互斥量sem_init(&empty_sem, 0, POOL_SIZE - 1); //初始化信号量empty_sem为缓冲池大小sem_init(&full_sem, 0, 0);              //初始化信号量full_sem为0，开始时缓冲池中没有数据for (i = 0; i < PRODUCER_NUM; i++){//创建生产者线程pthread_create(&producer_id[i], NULL, producer_fun, (void *)i);//创建消费者线程pthread_create(&consumer_id[i], NULL, consumer_fun, (void *)i);}for (i = 0; i < PRODUCER_NUM; i++){pthread_join(producer_id[i], NULL);pthread_join(consumer_id[i], NULL);}exit(0);
}

哲学家进餐问题

有5位哲学家倾注毕生精力用于思考和吃饭，他们围坐在一张圆桌旁，在圆桌上有5个碗和5支筷子。每位哲学家的行为通常是思考，当其感到饥饿时，便试图取其左右最靠近他的筷子进餐。只有他拿到两支筷子后才能进餐，进餐完毕后，释放两支筷子并继续思考。

要求：采取合适的方法，防止出现死锁的问题。

/** @Description: 哲学家进餐问题* @version: * @Author: * @Date: 2021-04-30 14:51:12* @LastEditors: Please set LastEditors* @LastEditTime: 2021-05-14 14:13:54*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>
// 至多只允许4位哲学家竞争筷子，这样就一定有一个哲学家可以拿到两支筷子
#define N 5                               // 五个哲学家
#define TIME_EAT 5                        // 吃饭的时间
#define TIME_THINK 5                      // 思考的时间
#define LIMIT 4                           // 同一时间只允许４人用餐
#define left(phi_id) (phi_id + N - 1) % N // 宏函数，计算哲学家左手边的筷子，注意id可能为0，所以要+N
#define right(phi_id) (phi_id + 1) % N    // 宏函数，计算哲学家右手边的筷子
sem_t chopstick[N]; // 筷子互斥信号量数组
sem_t limit;        // 竞争人数void thinking(int id)
{sleep(TIME_THINK);printf("philosopher[%d] is thinking...\n", id);
}void eating(int id)
{sleep(TIME_EAT);printf("philosopher[%d] is eating...\n", id);
}void take_forks(int id)
{//获取左右两边的筷子sem_wait(&chopstick[left(id)]);sem_wait(&chopstick[right(id)]);printf("philosopher[%d]  take_forks...\n", id);
}void put_down_forks(int id)
{printf("philosopher[%d] is put_down_forks...\n", id);sem_post(&chopstick[left(id)]);sem_post(&chopstick[right(id)]);
}void *philosopher_work(void *arg)
{int id = *(int *)arg;printf("philosopher init [%d] \n", id);while (1){thinking(id);// 检查同时竞争的哲学家是否达到限制，是则阻塞等待，否则进入竞争sem_wait(&limit);take_forks(id);// 已经拿到了筷子，退出竞争sem_post(&limit);eating(id);// 进食完毕，释放筷子put_down_forks(id);}
}int main()
{// 线程数组，相当于N个哲学家pthread_t phiTid[N];int i;int *id = (int *)malloc(sizeof(int) * N);// 初始化筷子信号量，初始情况是，所有筷子都空闲for (i = 0; i < N; i++)sem_init(&chopstick[i], NULL, 1);// 初始化信号量，初始值是LIMIT，无人参与竞争sem_init(&limit, NULL, LIMIT);for (i = 0; i < N; ++i){id[i] = i;// 生成的thread id是0,1,2,3,4，(iny*)->(void*)pthread_create(&phiTid[i], NULL, philosopher_work, (void *)(&id[i]));}while (1);exit(0);
}

和尚打水问题

某寺庙，有小和尚，老和尚若干。有一水缸，由小和尚提水入缸供老和尚饮用。水缸可容10桶水，水取自同一井中。水井径窄，每次中能容下一个桶取水。水桶总数为3个。每人一次取缸水仅为1桶，且不可同时进行。

/** @Description: 和尚打水问题* @version: * @Author: * @Date: 2021-04-30 15:27:58* @LastEditors: Please set LastEditors* @LastEditTime: 2021-04-30 16:46:49*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdbool.h>
// mutex1是井的互斥信号量
// mutex2是缸的互斥信号量
// amount是桶的互斥信号量
// empty和full是缸的同步信号量
sem_t mutex1, mutex2, amount, empty, full;
int fullcount = 0;
void *LittleMonk(void *p)
{while (true){// 检查是否空，若空则打水，否则阻塞等待sem_wait(&empty);// 检查是否有桶可用，有则去访问井，否则阻塞等待sem_wait(&amount);// 检查有没有其他小和尚正在访问井sem_wait(&mutex1);// 井边提水printf("第%d个小和尚在水井提水\n", *(int *)p);// 打完水后释放井的信号量，离开井sem_post(&mutex1);// 检查是否有其他和尚正在访问缸，若没有则倒水，否则阻塞等待sem_wait(&mutex2);// 小和尚在水缸旁倒水printf("水缸已有%d桶水，第%i个小和尚在水缸旁倒水\n", fullcount, *(int *)p);// 缸内水的数量++fullcount++;// 倒水的小和尚离开缸，释放资源sem_post(&mutex2);// 放下水桶，释放桶资源sem_post(&amount);// 水缸里水的桶数加1sem_post(&full);}
}
void *BigMonk(void *p)
{while (true){// 检查缸内是否有水，有则打水，否则阻塞等待sem_wait(&full);// 老和尚检查是否有水桶可用，没有水桶则等待sem_wait(&amount);// 水缸旁有人则等待，没有则开始打水sem_wait(&mutex2);printf("\t水缸已有%d桶水，第%d个大和尚在水缸旁提水\n", fullcount, *(int *)p);// 打完水，缸内水的数量--fullcount--;// 老和尚离开缸，释放缸互斥信号量sem_post(&mutex2);// 老和尚放下水桶，是否同互斥信号量sem_post(&amount);// 空闲位置++sem_post(&empty);}
}int main()
{int i, j;// 保存进程的IDpthread_t little[20], big[20];//初始化信号量// 井互斥锁默认为1sem_init(&mutex1, 0, 1);// 缸互斥锁默认为1sem_init(&mutex2, 0, 1);// 开始时有3个水桶供使用sem_init(&amount, 0, 3);// 开始时水缸里没有水，设置为0sem_init(&full, 0, 0);// 开始时水缸里最多能装10桶水，设置为10sem_init(&empty, 0, 10);//创建多个老和尚进程for (i = 1; i <= 4; ++i){int *id = &i;pthread_create(&big[i], NULL, BigMonk, (void *)id);}//创建多个小和尚进程for (j = 1; j <= 10; ++j){int *id = &j;pthread_create(&little[j], NULL, LittleMonk, (void *)id);}while (true);exit(0);
}

四、实验总结

结合实验，谈谈你对进程同步的理解和体会。

进程同步是指并发执行的进程因直接制约关系而需相互等待，相互合作，以实现各进程按相互协调的速度向前推进的过程。同步过程中进程与进程之间有序合作，相互清楚对方的存在及其作用，进程之间直接合作完成任务。

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