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【操作系统】吸烟者问题

news 来源：原创 2025/5/5 12:07:08

问题描述

吸烟者问题是一个经典的同步问题，涉及三个抽烟者进程和一个供应者进程。每个抽烟者需要三种材料（烟草、纸和胶水）来卷烟，但每个抽烟者只有一种材料。供应者每次提供两种材料，拥有剩下那种材料的抽烟者可以卷烟并抽掉它。

问题分析

同步关系：供应者与三个抽烟者之间存在同步关系，供应者提供材料后，抽烟者才能开始卷烟。
互斥关系：三个抽烟者之间是互斥的，即同一时间只能有一个抽烟者卷烟。
信号量设置：需要设置信号量来控制材料的供应和抽烟者的动作。

解决方案

使用信号量来实现同步和互斥：

信号量定义：
- offer1、offer2、offer3：分别表示供应者提供的不同组合材料（如烟草和纸、烟草和胶水、纸和胶水）。
- finish：用于通知供应者当前抽烟者已完成抽烟。

伪代码：

供应者：

while(1){random = 任意一个整数随机数;random = random % 3;if (random == 0)V(offer1);  // 提供烟草和纸else if (random == 1)V(offer2);  // 提供烟草和胶水elseV(offer3);  // 提供纸和胶水P(finish);  // 等待抽烟者完成
}

抽烟者：

while(1){P(offerX);  // 等待供应者提供材料// 拿走材料，卷烟，抽掉V(finish);  // 通知供应者已完成
}

改进

由于缓冲区大小为1，四个同步信号量中至多只有一个为1，因此finish信号量用于互斥是不必要的

实现详细代码：

1. 供应者代码（supplier.c）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>#define NUM_SMOKERS 3// 信号量定义
sem_t offer1;  // 提供烟草和纸
sem_t offer2;  // 提供烟草和胶水
sem_t offer3;  // 提供纸和胶水
sem_t finish;  // 通知供应者当前抽烟者已完成void* supplier(void* arg) {while (1) {// 随机选择一组材料int random = rand() % NUM_SMOKERS;if (random == 0) {printf("Supplier: Offering tobacco and paper\n");sem_post(&offer1);  // 提供烟草和纸} else if (random == 1) {printf("Supplier: Offering tobacco and matches\n");sem_post(&offer2);  // 提供烟草和胶水} else {printf("Supplier: Offering paper and matches\n");sem_post(&offer3);  // 提供纸和胶水}// 等待抽烟者完成sem_wait(&finish);}
}int main() {pthread_t supplier_thread;// 初始化信号量sem_init(&offer1, 0, 0);sem_init(&offer2, 0, 0);sem_init(&offer3, 0, 0);sem_init(&finish, 0, 0);// 创建供应者线程pthread_create(&supplier_thread, NULL, supplier, NULL);// 主线程可以继续运行其他任务或等待pthread_join(supplier_thread, NULL);// 清理信号量sem_destroy(&offer1);sem_destroy(&offer2);sem_destroy(&offer3);sem_destroy(&finish);return 0;
}

2. 抽烟者代码（`smoker.c`）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>#define NUM_SMOKERS 3// 信号量定义
extern sem_t offer1;  // 提供烟草和纸
extern sem_t offer2;  // 提供烟草和胶水
extern sem_t offer3;  // 提供纸和胶水
extern sem_t finish;  // 通知供应者当前抽烟者已完成void* smoker1(void* arg) {while (1) {sem_wait(&offer1);  // 等待供应者提供烟草和纸printf("Smoker 1: Making a cigarette with tobacco and paper\n");printf("Smoker 1: Smoking...\n");sleep(1);  // 模拟抽烟时间sem_post(&finish);  // 通知供应者已完成}
}void* smoker2(void* arg) {while (1) {sem_wait(&offer2);  // 等待供应者提供烟草和胶水printf("Smoker 2: Making a cigarette with tobacco and matches\n");printf("Smoker 2: Smoking...\n");sleep(1);  // 模拟抽烟时间sem_post(&finish);  // 通知供应者已完成}
}void* smoker3(void* arg) {while (1) {sem_wait(&offer3);  // 等待供应者提供纸和胶水printf("Smoker 3: Making a cigarette with paper and matches\n");printf("Smoker 3: Smoking...\n");sleep(1);  // 模拟抽烟时间sem_post(&finish);  // 通知供应者已完成}
}int main() {pthread_t smoker1_thread, smoker2_thread, smoker3_thread;// 初始化信号量（假设已经在supplier.c中初始化）extern sem_t offer1, offer2, offer3, finish;// 创建抽烟者线程pthread_create(&smoker1_thread, NULL, smoker1, NULL);pthread_create(&smoker2_thread, NULL, smoker2, NULL);pthread_create(&smoker3_thread, NULL, smoker3, NULL);// 主线程可以继续运行其他任务或等待pthread_join(smoker1_thread, NULL);pthread_join(smoker2_thread, NULL);pthread_join(smoker3_thread, NULL);return 0;
}

代码说明

信号量初始化：
- 在supplier.c中初始化信号量offer1、offer2、offer3和finish。
- 在smoker.c中声明这些信号量为外部变量。
供应者逻辑：
- 供应者随机选择一组材料并提供。
- 使用sem_post通知一个抽烟者可以开始卷烟。
- 使用sem_wait等待抽烟者完成。
抽烟者逻辑：
- 每个抽烟者等待特定的材料组合。
- 使用sem_wait等待供应者提供材料。
- 模拟卷烟和抽烟过程。
- 使用sem_post通知供应者已完成。

编译与运行

将上述代码保存为supplier.c和smoker.c。

使用以下命令编译代码：

gcc -pthread -o supplier supplier.c
gcc -pthread -o smoker smoker.c

运行程序：
```
./supplier &
./smoker
```

输出示例

运行程序后，你将看到类似以下的输出：

Supplier: Offering tobacco and paper
Smoker 1: Making a cigarette with tobacco and paper
Smoker 1: Smoking...
Supplier: Offering tobacco and matches
Smoker 2: Making a cigarette with tobacco and matches
Smoker 2: Smoking...
Supplier: Offering paper and matches
Smoker 3: Making a cigarette with paper and matches
Smoker 3: Smoking...