三个多线程同步问题及其实现

1.生产者——消费者问题

问题描述：
生产者-消费者问题是一个经典的进程同步问题，该问题最早由Dijkstra提出，用以演示他提出的信号量机制。在同一个进程地址空间内执行的两个线程。生产者线程生产物品，然后将物品放置在一个空缓冲区中供消费者线程消费。消费者线程从缓冲区中获得物品，然后释放缓冲区。当生产者线程生产物品时，如果没有空缓冲区可用，那么生产者线程必须等待消费者线程释放出一个空缓冲区。当消费者线程消费物品时，如果没有满的缓冲区，那么消费者线程将被阻塞，直到新的物品被生产出来。
这里生产者和消费者是既同步又互斥的关系，首先只有生产者生产了，消费着才能消费，这里是同步的关系。但他们对于临界区的访问又是互斥的关系。因此需要两个信号量empty和full用于同步缓冲区，而互斥量mutex用于保证在访问缓冲区时是互斥的。
P操作首先减少信号量，表示有一个进程将占用或等待资源，然后检测S是否小于0，如果小于0则阻塞，否则占有资源进行执行。
V操作是和P操作相反的操作，首先增加信号量，表示占用或等待资源的进程减少了1个。然后检测S是否大于0，如果大于0则唤醒等待使用S资源的其它进程。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
sem_t emptys;
sem_t resource;
int cur_nums=0;

void* Producer(void*)
{
begin:
    sem_wait(&emptys);
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    puts("producing...");
    Sleep(rand()%20);
    ++cur_nums;
    printf("there are %d available resources now.\n", cur_nums);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    sem_post(&resource); //将resource加1
    Sleep(rand()%1000);
    goto begin;
}
void* Customer(void*)
{
begin:
    sem_wait(&resource); //将resource减一,如果小于0则等待
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    puts("customing......");
    Sleep(rand()%20);
    --cur_nums;
    printf("there are %d available resources now.\n", cur_nums);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    sem_post(&emptys);
    Sleep(rand()%1000+100);
    goto begin;
}

int main()
{
    sem_init(&emptys,0,15); // 表示剩余空位数, 初值为15
    sem_init(&resource,0,0); // 表示已有资源数, 初值为0
    pthread_t t1,t2;
    pthread_create(&t1,NULL,Producer,NULL);
    pthread_create(&t2,NULL,Customer,NULL);
    pthread_detach(t1);
    pthread_join(t2,NULL);
    return 0;
}

由于Customer进入Sleep的时间比Producer长，资源数量会趋向于变大。

2.读者——写者问题

问题描述:
一个数据文件或记录，统称数据对象，可被多个进程共享，其中有些进程只要求读称为“读者”，而另一些进程要求写或修改称为“写者”。
规定：允许多个读者同时读一个共享对象，但禁止读者、写者同时访问一个共享对象，也禁止多个写者访问一个共享对象，否则将违反Bernstein条件。
Bernstein条件：若两个程序P1和P2能满足下述条件，它们便能并发执行，否则不能： R(P1)∩W(P2)∪R(P2)∩W(P1)∪W(P1)∩W(P2)={}，P1的读集与P2写集的交集、P2的读集与P1的写集的交集、P1的写集与P2的写集的交集，三者同时为空集。
通过描述可以分析，这里的读者和写者是互斥的，而写者和写者也是互斥的，但读者之间并不互斥。
由此我们可以设置3个变量，一个用来统计读者的数量，另外两个分别用于对读者数量读写的互斥，写者和读者、其他写者的互斥。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t rw = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int count=0;

void* reader(void *)
{
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    if(count==0) // 0个读者
        pthread_mutex_lock(&rw); // 等待写者退出
    ++count;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    Sleep(1000);
    puts("stop reading.");
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    --count;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    if(count==0)
        pthread_mutex_unlock(&rw);
}

void* writer(void*)
{
    pthread_mutex_lock(&rw);
    Sleep(2000);
    puts("stop writing.");
    pthread_mutex_unlock(&rw);
}

int main()
{
    pthread_t t[6];
    for (int i = 0; i < 3; i++)
        pthread_create(&t[i],NULL,reader,NULL);
    pthread_t tt;
    pthread_create(&tt,NULL,writer,NULL);
    for (int i = 3; i < 6; i++)
        pthread_create(&t[i],NULL,reader,NULL);
    for (int i = 0; i < 6; i++)
        pthread_join(t[i],NULL);
    pthread_join(tt,NULL);
    return 0;
}

输出是
stop reading.
stop reading.
stop reading.
stop reading.
stop reading.
stop reading.
stop writing.
因为前三个读者读的过程中，写无法进行，只好等到所有读都完成后才能写。

3.哲学家进餐问题

问题描述:
有五个哲学家，他们的生活方式是交替地进行思考和进餐。哲学家们公用一张圆桌，周围放有五把椅子，每人坐一把。在圆桌上有五个碗和五根筷子，当一个哲学家思考时，他不与其他人交谈，饥饿时便试图取用其左、右最靠近他的筷子，但他可能一根都拿不到。只有在他拿到两根筷子时，方能进餐，进餐完后，放下筷子又继续思考。
根据问题描述，五个哲学家分别可以看作是五个进程，五只筷子分别看作是五个资源，只有当哲学家分别拥有左右的资源时，才得以进餐。如果不指定规则，当每个哲学家手中只拿了一只筷子时会造成死锁，从而五个哲学家都因为吃不到饭而饿死。因此我们的策略是让哲学家同时拿起两只筷子，需要对每个资源设置一个互斥量。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define PHILOSOPHER 5
pthread_mutex_t mutex[PHILOSOPHER];
// x号哲学家需要x和(x+1)%PHILOSOPHER号筷子

void* philosopher(void* pnum)
{
    int num = *(int*)pnum;
begin:
    if(pthread_mutex_trylock(mutex+num)==0)
    {
        if(pthread_mutex_trylock(mutex+(num+1)%PHILOSOPHER)!=0)
        {
            pthread_mutex_unlock(mutex+num);
            goto begin;
        }
        // 获得两只筷子
        printf("philosopher %d start eating.\n", num);
        Sleep(100);
        printf("philosopher %d stop eating.\n", num);
        pthread_mutex_unlock(mutex+num);
        pthread_mutex_unlock(mutex+(num+1)%PHILOSOPHER);
        Sleep(rand()%1000+2000); // 思考2到3秒
    }
    goto begin;
}

int main()
{
    int num[PHILOSOPHER];
    for(int i=0; ifor(int i=0; ifor(int i=0; ireturn 0;
}

以上代码均在Windows下CodeBlocks 16.01编译通过
参考浅谈进程同步和互斥的概念