Linux系统---图书管理中的同步问题

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一、问题描述

（1）图书馆阅览室最多能够容纳N（N=5）名学生，若有更多学生想进入阅览室，必须等到阅览室中有同学退出之后才能进入。

（2）阅览室有一名管理员。早到的同学必须等管理员开门之后才能进入，管理员必须等到所有同学都退出之后才能关门。

请你用信号量实现上述问题。

二、问题分析

（1）将在“阅览室读书”看做一个临界区，该临界区最多只允许N名学生进入。把每个“学生”建模为一个线程，这是一个互斥问题。于是可以设计一个初值为N的信号量，实现互斥。

（2）管理员需要与第一个学生同步，即第一个学生等待管理员开门；管理员也需要与最后一名学生同步，即管理员等待最后一名学生退出之后，才能关闭图书馆。因此可以实现一个学生计数，实现条件同步。

三、命名规则

（1）用Student和Manager分别表示学生和管理员线程名。

（2）Student包括三个操作：Checkin( )（刷入）、Reading( )（阅读）、checkout( )（刷出）

（3）Manager包括三个操作：OpenDoor( )（开门）、CloseDoor( )（关门）、manage( )

四、具体实现

1. test.c文件

test.c文件是一个模拟学生进出教室的多线程程序。它使用了信号量（semaphore）来实现同步和互斥。

首先，定义了一些全局变量：

ns 表示当前正在教室的学生数量。
mutex 用于保护对 ns 的访问。
room 用于限制教室的最大容量。
wfm 和 wfs 分别表示等待进入教室和等待离开教室的信号量。
fetch 表示等待学生进入教室的信号量。
flag 表示是否已经有学生进入教室。

接下来，定义了两个函数：

student(void* i) 是每个学生的线程函数。它接收一个参数 i，表示学生的编号。
manager(void *arg) 是管理线程的函数。它不需要参数。

在 student 函数中，首先打印出学生进入教室的信息。然后，通过调用 P(&fetch) 来请求获取 fetch 信号量，表示有学生准备进入教室。接着，通过调用 P(&mutex) 来请求获取 mutex 信号量，以保护对 ns 的访问。然后，根据当前的学生数量和是否有学生已经进入教室，执行相应的操作。最后，释放 mutex 信号量，并通过调用 sleep(1) 让当前线程暂停一段时间，模拟学生进入教室的过程。然后，打印出学生离开教室的信息，并释放其他信号量和变量。

在 manager 函数中，首先打印出管理打开教室的信息。然后，通过调用 V(&wfm) 来释放 wfm 信号量，表示有学生可以进入教室。接着，打印出管理等待所有学生离开教室的信息。然后，通过调用 P(&wfs) 来请求获取 wfs 信号量，表示所有学生都已经离开教室。最后，打印出管理关闭教室的信息。

在 main 函数中，首先初始化了所有的信号量。然后，创建了多个学生线程，每个线程对应一个学生编号。接着，创建了一个管理线程。最后，使用 pthread_exit(NULL) 退出主线程。

#include<semaphore.h>
#include<pthread.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include"ch4-PV.h"

#define N 5

unsigned int ns = 0;
sem_t mutex;
sem_t room;
sem_t wfm;
sem_t wfs;
sem_t fetch;
int flag = 0;

void *student(void* i)
{
	int id = (int)i;
	printf("Student %i is entring...\n",id);
	P(&fetch);
	ns++;
	P(&mutex);
	if(ns == 1 && flag ==0)
	{
		P(&wfm);
		P(&room);
		flag = 1;
		printf("The 1st student %i has been entered.\n",id);
	}
	else
	{
		P(&room);
		printf("The student %i has been entered\n",id);
	}
	V(&mutex);
	sleep(1);
	printf("The student %i is going to leave...\n",id);
	P(&mutex);
	ns--;
	if(ns == 0)
	{
		V(&wfs);
		printf("The last student left.\n");
	}
	else
		printf("The student %i has left.\n",id);
	V(&room);
	V(&mutex);
	V(&fetch);
}

void *manager(void *arg)
{
	printf("The manager opens the door.\n");
	V(&wfm);
	printf("The manager is waiting for all student leaves.\n");
	P(&wfs);
	printf("The manager closes the door.\n");
}

int main()
{
	sem_init(&wfm,0,0);
	sem_init(&fetch,0,5);
	sem_init(&wfs,0,0);
	sem_init(&mutex,0,1);
	sem_init(&room,0,5);
	pthread_t tid;
	for(int i = 1; i <= N; i++)
		pthread_create(&tid,NULL,student,(void *)i);
	pthread_create(&tid,NULL,manager,(void *)NULL);
	pthread_exit(NULL);
	return 0;
}

2. ch4-PV.c文件

这段代码是一个简单的信号量实现，用于实现生产者消费者问题。其中包含了两个函数：P() 和 V()。

P(sem_t *s) 函数用于等待信号量。如果信号量的值大于0，则将信号量的值减1并返回；否则，该函数会阻塞，直到信号量的值变为大于0。
V(sem_t *s) 函数用于释放信号量。将信号量的值加1，并唤醒一个等待该信号量的线程。

#include<stdio.h>
#include<semaphore.h>
#include<stdlib.h>
#include"ch4-PV.h"

void P(sem_t *s)
{
	if(sem_wait(s)<0)
		printf("P error");
}

void V(sem_t *s)
{
	if(sem_post(s)<0)
		printf("V error");
}

3. ch4-PV.h文件

这段代码定义了相应的头文件。

#include<semaphore.h>
#include<unistd.h>

void P(sem_t *s);
void V(sem_t *s);

4. makeflie文件

这是一个Makefile文件，用于编译和清理生成的可执行文件和目标文件。（之前的文章对此有过相应的讲解）

test:test.o ch4-PV.o
	gcc -pthread test.o ch4-PV.o -o test
tets.o:test.c
	gcc -c test.c
ch4-PV.o:ch4-PV.c
	gcc -c ch4-PV.c
.PHONY:clean

clean:
	rm -rf ch4-PV.o
	rm -rf test
	rm -rf test.o