IPC同步机制实现吸烟者问题

吸烟者问题是一个经典的进程同步问题，其中有三个进程，分别代表烟草商、吸烟者和抽烟者。烟草商提供烟草和纸，吸烟者需要烟草和纸才能卷烟，而抽烟者需要烟草和火柴才能抽烟。这三个进程分别需要互相合作才能完成任务。

下面是一个使用信号量实现的解决方案：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>

#define N 3  // 吸烟者的数量

sem_t tobacco;  // 烟草信号量
sem_t paper;    // 纸信号量
sem_t match;    // 火柴信号量
sem_t agent;    // 烟草商信号量

void *smoker(void *arg)
{
    int id = *(int *)arg;

    while (1) {
        switch (id) {
            case 0:  // 吸烟者 A
                sem_wait(&tobacco);
                sem_wait(&paper);
                printf("Smoker A is smoking...\n");
                sleep(1);
                sem_post(&agent);
                break;
            case 1:  // 吸烟者 B
                sem_wait(&tobacco);
                sem_wait(&match);
                printf("Smoker B is smoking...\n");
                sleep(1);
                sem_post(&agent);
                break;
            case 2:  // 吸烟者 C
                sem_wait(&paper);
                sem_wait(&match);
                printf("Smoker C is smoking...\n");
                sleep(1);
                sem_post(&agent);
                break;
            default:
                break;
        }
    }

    return NULL;
}

void *agent_thread(void *arg)
{
    while (1) {
        sem_wait(&agent);

        int r = rand() % 3;

        switch (r) {
            case 0:  // 提供烟草和纸
                printf("Agent provides tobacco and paper.\n");
                sem_post(&tobacco);
                sem_post(&paper);
                break;
            case 1:  // 提供烟草和火柴
                printf("Agent provides tobacco and match.\n");
                sem_post(&tobacco);
                sem_post(&match);
                break;
            case 2:  // 提供纸和火柴
                printf("Agent provides paper and match.\n");
                sem_post(&paper);
                sem_post(&match);
                break;
            default:
                break;
        }
    }

    return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t tid[N + 1];
    int ids[N];

    sem_init(&tobacco, 0, 0);
    sem_init(&paper, 0, 0);
    sem_init(&match, 0, 0);
    sem_init(&agent, 0, 1);

    pthread_create(&tid[0], NULL, agent_thread, NULL);

    for (int i = 0; i < N; i++) {
        ids[i] = i;
        pthread_create(&tid[i + 1], NULL, smoker, &ids[i]);
    }

    for (int i = 0; i <= N; i++) {
        pthread_join(tid[i], NULL);
    }

    sem_destroy(&tobacco);
    sem_destroy(&paper);
    sem_destroy(&match);
    sem_destroy(&agent);

    return 0;
}

在这个实现中，使用了四个信号量：烟草信号量、纸信号量、火柴信号量和烟草商信号量。烟草商信号量的初始值为 1，表示烟草商一开始就可以提供烟草和纸或者烟草和火柴。吸烟者进程在等待烟草、纸和火柴的过程中都使用了 sem_wait() 函数，当某个条件被满足时，使用 sem_post() 函数通知烟草商提供相应的物品。

在烟草商进程中使用了一个无限循环，不断地提供烟草和纸、烟草和火柴或者纸和火柴中的一种，每次提供完毕后使用 sem_post() 函数通知等待的吸烟者进程。

这样，就实现了一个简单的吸烟者问题解决方案。