加强版理发师问题

加强版理发师问题

2.理发师问题：一个理发店有一个入口和一个出口。理发店内有一个可站5 位顾客的站席
区、4 个单人沙发、3 个理发师及其专用理发工具、一个收银台。新来的顾客坐在沙发上等
待；没有空沙发时，可在站席区等待；站席区满时，只能在入口外等待。理发师可从事理
发、收银和休息三种活动。理发店的活动满足下列条件：
1）休息的理发师是坐地自己专用的理发椅上，不会占用顾客的沙发；
2）处理休息状态的理发师可为在沙发上等待时间最长的顾客理发；
3）理发时间长短由理发师决定；
4）在站席区等待时间最长的顾客可坐到空闲的理发上；
5）任何时刻最多只能有一个理发师在收银。
试用信号量机制或管程机制实现理发师进程和顾客进程。
原理：
(1)customer 进程：
首先检查站席区是否已满（stand_capacity）,若满选择离开，否则进入站席区，即进入
理发店。在站席区等待沙发的空位（信号量sofa），如果沙发已满，则进入阻塞等待队列，
直到出现空位，在站席区中等待时间最长的顾客离开站席区（stand_capacity）。坐到沙
发上，等待理发椅(barber_chair)，如果理发椅已满，则进入阻塞等待队列，直到出现
空位，在沙发上等待时间最长的顾客离开沙发（释放信号量sofa）。坐到理发椅上，释放
准备好的信号（customer_ready），获得该理发师的编号（0~1 的数字）。等待理发师理
发结束（finished[barber_number]）。在离开理发椅之前付款（payment），等待收据
(receipt)，离开理发椅（leave_barberchair）。最后离开理发店。
这里需要注意几点：
a) 首先是几个需要进行互斥处理的地方，主要包括:进入站席区、进入沙发、进入理发椅
和付款几个地方。
b) 通过barber_chair 保证一个理发椅上最多只有一名顾客。但这也不够，因为单凭
baber_chair 无法保证一名顾客离开理发椅之前，另一位顾客不会坐到该理发椅上，
因此增加信号量leave_barberchair，让顾客离开理发椅后，释放该信号，而理发
师接收到该信号后才释放barber_chair 等待下一位顾客。
c) 在理发的过程中，需要保证是自己理发完毕，才能够进行下面的付款、离开理发椅的活
动。这个机制是通过customer 进程获得给他理发的理发师编号来实现的，这样，当
该编号的理发师释放对应的finished信号的时候，该顾客才理发完毕。
d) 理发师是通过mutex 信号量保证他们每个人同时只进行一项操作（理发或者收款）。
e) 为了保证该顾客理发完毕后马上可以付款离开，就应该保证给该顾客理发的理发师在理
发完毕后马上到收银台进入收款操作而不是给下一位顾客服务。在伪码中由以下机制实
现：即顾客在释放离开理发椅的信号前，发出付款的信号。这样该理发师得不到顾客的
离开理发椅的信号，不能进入下一个循环为下一名顾客服务，而只能进入收款台的收款
操作。直到顾客接到收据后，才释放离开理发椅的信号，离开理发椅，让理发师释放该
理发椅的信号，让下一位等待的顾客坐到理发椅上。
(2)barber 进程
首先将该理发师的编号压入队列，供顾客提取。等待顾客坐到理发椅坐好(信号量
customer_ready)，开始理发，理发结束后释放结束信号（finished）。等待顾客
离开理发椅（leave_barberchair）（期间去收银台进行收款活动），释放理发椅空闲信
号(barber_chair)，等待下一位顾客坐上来。
(3)cash（收银台）进程
等待顾客付款(payment),执行收款操作，收款操作结束，给付收据（receipt）。
信号量总表：
信号量 wait signal
stand_capacity 顾客等待进入理发店 顾客离开站席区
sofa 顾客等待坐到沙发 顾客离开沙发
barber_chair 顾客等待空理发椅 理发师释放空理发椅
customer_ready 理发师等待，直到一个顾客坐
到理发椅
顾客坐到理发椅上，给理发师
发出信号
mutex 等待理发师空闲，执行理发或
收款操作
理发师执行理发或收款结束，
进入空闲状态
mutex1 执行入队或出队等待 入队或出队结束，释放信号
finished 顾客等待对应编号理发师理
发结束
理发师理发结束，释放信号
leave_barberchair 理发师等待顾客离开理发椅 顾客付款完毕得到收据，离开
理发椅释放信号
payment 收银员等待顾客付款 顾客付款，发出信号
receipt 顾客等待收银员收、开具收据收银员收款结束、开具收据，
释放信号
伪码：
semaphore stand_capacity=5;
semaphore sofa=4;
semaphore barber_chair=3;
semaphore customer_ready=0;
semaphore mutex=3;
semaphore mutex1=1;
semaphore finished[3]={0,0,0};
semaphore leave_barberchair=0;
semaphore payment=0;
semaphore receipt=0;
void customer()
{
int barber_number;
wait(stand_capacity); //等待进入理发店
enter_room(); //进入理发店
wait(sofa); //等待沙发
leave_stand_section(); //离开站席区
signal(stand_capacity);
sit_on_sofa(); //坐在沙发上
wait(barber_chair); //等待理发椅
get_up_sofa(); //离开沙发
signal(sofa);
wait(mutex1);
sit_on_barberchair(); //坐到理发椅上
signal(customer_ready);
barber_number=dequeue(); //得到理发师编号
signal(mutex1);
wait(finished[barber_number]); //等待理发结束
pay(); //付款
signal(payment); //付款
wait(receipt); //等待收据
get_up_barberchair(); //离开理发椅
signal(leave_barberchair); //发出离开理发椅信号
exit_shop(); //了离开理发店
}
void barber(int i)
{
while(true)
{
wait(mutex1);
enqueue(i); //将该理发师的编号加入队列
signal(mutex1);
wait(customer_ready); //等待顾客准备好
wait(mutex);
cut_hair(); //理发
signal(mutex);
signal(finished); //理发结束
wait(leave_barberchair); //等待顾客离开理发椅信号
signal(barber_chair); //释放barber_chair 信号
}
}
void cash() //收银
{
while(true)
{
wait(payment); //等待顾客付款
wait(mutex); //原子操作
get_pay(); //接受付款
give_receipt(); //给顾客收据
signal(mutex);
signal(receipt); //收银完毕，释放信号
}
}
分析：
在分析该问题过程中，出现若干问题，是参阅相关资料后才认识到这些问题的隐蔽性和严重
性的,主要包括：
（1）在顾客进程，如果是在释放leave_barberchair 信号之后进行付款动作的话，很
容易造成没有收银员为其收款的情形， 原因是： 为该顾客理发的理发师收到
leave_barberchair 信号后，释放barber_chair 信号，另外一名顾客坐到理发椅上，
该理发师有可能为这另外一名顾客理发，而没有为刚理完发的顾客收款。为解决这个问题，
就是采取在释放leave_barberchair 信号之前，完成付款操作。这样该理发师无法进入
下一轮循环为另外顾客服务，只能到收银台收款。
（2）本算法是通过给理发师编号的方式，当顾客坐到某理发椅上也同时获得理发师的编号，
如此，当该理发师理发结束，释放信号，顾客只有接收到为其理发的理发师的理发结束信号
才会进行付款等操作。这样实现，是为避免这样的错误，即：如果仅用一个finished 信
号量的话，很容易出现别的理发师理发完毕释放了finished 信号，把正在理发的这位顾
客赶去付款,而已经理完发的顾客却被阻塞在理发椅上的情形。当然也可以为顾客进行编
号，让理发师获取他理发的顾客的编号，但这样就会限制顾客的数量，因为finished[]
数组不能是无限的。而为理发师编号，则只需要三个元素即可。