线程实现睡觉的理发师问题（mutex方式）

一、题目

理发师问题的描述：一个理发店接待室有n张椅子，工作室有1张椅子；没有顾客时，理发师睡觉；第一个顾客来到时，必须将理发师唤醒；顾客来时如果还有空座的话，他就坐在一个座位上等待；如果顾客来时没有空座位了，他就离开，不理发了；当理发师处理完所有顾客，而又没有新顾客来时，他又开始睡觉。

二、基础知识

（1）互斥

互斥是指散布在不同任务之间的若干程序片断，当某个任务运行其中一个程序片段时，其它任务就不能运行它们之中的任一程序片段，只能等到该任务运行完这个程序片段后才可以运行。

最基本的场景就是：一个公共资源同一时刻只能被一个进程或线程使用，多个进程或线程不能同时使用公共资源。

（2）互斥锁

互斥锁（$mutex$）是一种简单的加锁的方法来控制对共享资源的访问，每个对象都对应于一个可称为" 互斥锁" 的标记，这个标记用来保证在任一时刻，只能有一个线程访问该对象。互斥锁只有两种状态,即上锁和解锁。
多个线程只有一把锁一个钥匙，谁上的锁就只有谁能开锁。当一个线程要访问一个共享变量时，先用锁把变量锁住，然后再操作，操作完了之后再释放掉锁。
当另一个线程也要访问这个变量时，发现这个变量被锁住了，无法访问，它就会一直等待，直到锁被解了，它再给这个变量上个锁，然后使用，使用完了再释放锁，以此进行。

（3）POSIX线程

POSIX线程 （英语：POSIX Threads，常被缩写为$Pthreads$） 是POSIX的线程标准，定义了创建和操纵线程的一套API。
实现POSIX 线程标准的库常被称作$Pthreads$。

三、函数说明

接下来的函数都是$Pthreads$定义的函数，其头文件都为pthread.h。

(1）pthread_t

typedef unsigned long int pthread_t		
sizeof(pthread_t) = 8

pthread_t用于声明线程ID。

(2) pthread_create

int pthread_create(pthread_t *tidp,const pthread_attr_t *attr,void *(*start_rtn)(void*),void *arg)
//函数原型

pthread_create是的创建线程的函数。
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。本次内容运行函数不需要参数，所以最后一个参数设为空指针。第二个参数我们也设为空指针，这样将生成默认属性的线程。
若线程创建成功，则返回0。若线程创建失败，则返回出错编号。

(3) pthread_join

 int pthread_join(pthread_t thread, void **retval)//函数原型

pthread_join()函数，以阻塞的方式等待$thread$指定的线程结束。pthread_join使一个线程等待另一个线程结束
第一个参数$thread$: 线程标识符，即线程$ID$，标识唯一线程。第二个参数$retval$: 用户定义的指针，用来存储被等待线程的返回值。
运行成功返回0；失败，返回的则是错误号。

(4) pthread_mutex_t

pthread_mutex_t 为 $mutex$ 数据类型

(5) pthread_mutex_init

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict_mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict_attr)
//函数原型

pthread_mutex_init()函数是以动态方式创建互斥锁的。函数成功执行后，互斥锁被初始化为未锁住态。
参数restrict_attr指定了新建互斥锁的属性。如果参数restrict_attr 为 $NULL$，则使用默认的互斥锁属性，默认属性为快速互斥锁 。
函数成功完成之后会返回零，其他任何返回值都表示出现了错误。

(6) pthread_mutex_lock

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)
//函数原型

pthread_mutx_lock用于 $mutex$ 所指向的互斥锁上锁。
在成功完成之后会返回零。其他任何返回值都表示出现了错误。

(7) pthread_mutex_unlock

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)
//函数原型

pthread_mutex_unlock可以解除锁定 $mutex$ 所指向的互斥锁。
在成功完成之后会返回零。其他任何返回值都表示出现了错误。

(8) pthread_mutex_destroy

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)
//函数原型

pthread_mutex_destroy用于互斥锁销毁。
在执行成功后返回 0，否则返回错误码。

四、代码

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>pthread_mutex_t mutex;	//创建mutex变量
int n;		//有n个椅子，即有n个空位
int num;	//有num个顾客
int flag =1;	//函数循环判断
void *customer(void *arg)
{while(flag){pthread_mutex_lock(&mutex);		//互斥锁上锁if(num < n){num++;		//顾客数num加一printf("有顾客进来，还剩下%d个椅子\n",n-num);pthread_mutex_unlock(&mutex);	//互斥锁解锁}else{pthread_mutex_unlock(&mutex);	//互斥锁解锁printf("没有椅子了，顾客离开\n");}}	
}void *barber(void *arg)
{while(flag){if(num > 0){pthread_mutex_lock(&mutex);		//互斥锁上锁num--;		//顾客数num减一printf("顾客离开,还剩下%d个椅子\n",n-num);pthread_mutex_unlock(&mutex);	//互斥锁解锁}}
}int main(void)
{printf("请输入椅子总数n：");scanf("%d",&n);num = 0;	//初始化顾客数num为0pthread_t Barber,Customer;pthread_mutex_init(&mutex,NULL);	//创建互斥锁pthread_create(&Barber,NULL,barber,NULL);	//创建线程pthread_create(&Customer,NULL,customer,NULL);sleep(1);	//主线程休息1秒，执行子线程.flag = 0; 	//1秒后，子线程停止执行.pthread_join(Barber,NULL);	//等待子线程pthread_join(Customer,NULL);pthread_mutex_destroy(&mutex);	//摧毁互斥锁
}	

运行结果：

✔ 由于$pthread$库不是标准$Linux$库， 所以出错。 在编译命令后面添加 $-lpthread$。

分析：
首先是输入椅子总数，然后第$46$行和第$47$行创建了两个线程$Boss$和$Custmoer$；首先进入$barber$函数，此时$flag=1$，所以$while$会在这时一直执行，而$num=0$所以单单执行$while$循环什么也没做。然后进入$customer$函数 （此时函数$barber$也在执行） ，只要顾客数$num$比椅子数$n$小，就会进入$if$语句，第$16$行互斥锁上锁 （资源占用)，有顾客进来，顾客数$num$加一，执行完后再对互斥锁解锁。其中只要$num>0$也会对互斥锁进行解锁从而对资源的占用。所以，该程序总共有三个线程在执行，一个主线程和两个子线程，它们同时执行着，但是只要一个子进程对互斥锁上锁了，相当于另一个子进程只能等互斥锁解锁了才能执行 （资源释放），从而达到互斥的效果，而主线程执行了第$49$行的代码主线程休眠了$1$秒，$1$秒后执行第$50$行把$flag$改为$0$，相当于两个子线程都执行了空语句，第$51$行和第$52$行分别等待子线程结束，最后所有线程都结束，也就是程序运行结束。

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