使用信号量解决嗜睡理发师问题

"理发店算法是操作系统中用于解决进程同步问题的一个经典模型，通过信号量机制实现。在这个场景中，一个理发店有一个理发师和N个等待椅，顾客到达后如果所有椅子都满就会离开，否则会选择一个空位等待。理发师在没有顾客时会休息，当有顾客到来或已完成理发时会被唤醒。顾客在完成理发后需要支付并离开，而理发师必须收取费用后才能让顾客离开。以下是对这个模型的详细解析。 首先，我们需要理解信号量的概念。信号量是一种同步原语，用来控制对共享资源的访问。在理发店问题中，我们用到了三种类型的信号量： 1. `Customers`：表示等待理发的顾客数量。当值为0时，表示没有顾客等待，理发师可以休息。 2. `Barbers`：表示理发师的状态，值为1表示理发师在工作，0表示理发师可以被唤醒工作。 3. `Mutex`：互斥锁，用于保护临界区，确保同一时间只有一个进程（顾客或理发师）能执行特定操作，如修改`Waiting`变量。 在理发师进程`barber()`中： - 使用`wait(customers)`等待顾客的到来，当有顾客到达并唤醒理发师时，`customers`信号量会递减。 - 使用`wait(mutex)`进入临界区，减少等待顾客数`waiting`，然后通过`signal(barbers)`告诉理发师开始工作，并释放`mutex`。 在顾客进程`Customer(int i)`中： - 使用`wait(mutex)`进入临界区，检查等待椅是否还有空位。 - 如果有空位，增加等待顾客数`waiting`，唤醒理发师（如果需要），释放`mutex`，然后等待理发师服务（`wait(barbers)`）。 - 如果没有空位，释放`mutex`，顾客离开。 在这个模型中，信号量和条件变量共同确保了以下同步关系： 1. 顾客只有在理发椅空闲时才能开始理发。 2. 理发师只有在有顾客等待时才会工作，或者在顾客完成理发后才开始新的服务。 3. 理发师在理发完成后才能向顾客收取费用，而顾客必须支付完毕才能离开，这通过信号量`barbers`来实现。 此外，互斥锁`mutex`确保了`waiting`变量的更新是原子操作，防止数据竞争。整个过程通过这些同步机制避免了死锁和饥饿情况的发生，确保了理发店系统的正确运行。 这个理发店问题展示了操作系统中并发控制的基本思想，是理解和学习进程同步机制的一个好例子。通过模拟实际场景，我们可以更直观地理解信号量和其他同步工具的作用，这对于设计和实现多线程程序具有重要的指导意义。"