头歌实训作业：生产者消费者问题实践

第2关：进程互斥和同步

任务描述

桌上有个能盛的下五个水果的空盘子。爸爸不停的向盘中放苹果或桔子，儿子不停的从盘中取出桔子享用，女儿不停的从盘中取出苹果享用。规定三人不能同时从盘中取放水果。试用信号量实现爸爸、儿子和女儿这三个进程之间的同步

相关知识

为了完成本关任务，你需要掌握：1.多线程相关的系统调用，2.使用锁控制进程互斥，3.使用信号量控制进程同步

多线程相关的系统调用
include <pthread.h>
创建线程 pthread_create
pthread_create(&thrd1, NULL, (void *)&thread_function, (void *) &some_argument);
线程创建函数包含四个变量，分别为：
1.一个线程变量名，被创建线程的标识 
2. 线程的属性指针，缺省为NULL即可
3. 被创建线程的程序代码 
4. 程序代码的参数 

线程等待 pthread_join
pthread_create调用成功以后，新线程和老线程谁先执行，谁后执行用户是不知道的，这一块取决与操作系统对线程的调度，如果我们需要等待指定线程结束，需要使用pthread_join函数，这个函数实际上类似与多进程编程中的waitpid。 举个例子，以下假设 A 线程调用 pthread_join 试图去操作B线程，该函数将A线程阻塞，直到B线程退出，当B线程退出以后，A线程会收集B线程的返回码。 该函数包含两个参数：
pthread_t th //th是要等待结束的线程的标识
void **thread_return //指针thread_return指向的位置存放的是终止线程的返回状态。
调用实例：pthread_join(thrd1, NULL);

使用锁控制进程互斥

在主线程中初始化锁为解锁状态 
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
访问对象时的加锁操作与解锁操作 
加锁 pthread_mutex_lock(&mutex)
释放锁 pthread_mutex_unlock(&mutex)
#### 利用信号量实现进程同步
先引入头文件#include <semaphore.h>
初始化信号量： int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); 
成功返回0，失败返回-1
参数
sem：指向信号量结构的一个指针
pshared： 不是0的时候，该信号量在进程间共享，否则只能为当前进程的所有线程们共享
value：信号量的初始值
信号量减1操作，当sem=0的时候该函数会堵塞 int sem_wait(sem_t *sem); 
成功返回0，失败返回-1
参数
sem：指向信号量的一个指针
信号量加1操作 int sem_post(sem_t *sem); 
参数与返回同上
销毁信号量 int sem_destroy(sem_t *sem); 
参数与返回同上

编程要求

请参考爸爸线程的函数代码实现儿子和女儿线程的函数代码，将Son()函数和Daughter()函数补充完整。

测试说明

需要打印出爸爸、儿子和女儿线程并发执行的情况，并满足题目所示的限制条件。
爸爸、儿子和女儿的程序流程如下：
semaphore empty = 5,orange = 0,apple = 0, mutex = 1;
Dad() {
  while(1) {
    wait(empty);
    wait(mutex);
    将水果放入盘中；
    signal(mutex);
    if(放入的是桔子) signal(orange);
    else signal(apple);
  }
}
Son() {
  while(1) {
    wait(orange);
    wait(mutex);
    从盘中取出一个桔子；
    signal(mutex);
    signal(empty);
    享用桔子；
  }
}
Daughter() {
  while(1) {
    wait(apple);
    wait(mutex);
    从盘中取出一个苹果；
    signal(mutex);
    signal(empty);
    享用苹果；
  }
}
输出结果参考如下：
爸爸放入了一个苹果
女儿取了一个苹果
爸爸放入了一个桔子
儿子取了一个桔子
爸爸放入了一个苹果
女儿取了一个苹果
爸爸放入了一个桔子
儿子取了一个桔子
爸爸放入了一个苹果
女儿取了一个苹果
爸爸放入了一个桔子
儿子取了一个桔子
爸爸放入了一个苹果
女儿取了一个苹果
爸爸放入了一个桔子
儿子取了一个桔子
爸爸放入了一个苹果
女儿取了一个苹果
爸爸放入了一个桔子
儿子取了一个桔子
---
开始你的任务吧，祝你成功！
 

初始代码 ：

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


sem_t apple;
sem_t orange;
sem_t empty;
pthread_mutex_t mutex;

void *Dad()
{
	int nextp = 0;
	int i = 0;
    for(i = 0; i < 10; ++i)
	{
		int time = rand() % 10 + 1;          //随机使程序睡眠0点几秒
		usleep(time*100000);        
		sem_wait(&empty); 
		pthread_mutex_lock(&mutex);
		if(nextp == 0)
		{
			printf("爸爸放入了一个苹果\n");
		}
		else
		{
			printf("爸爸放入了一个桔子\n");
		}
        fflush(stdout);
		
		pthread_mutex_unlock(&mutex);         //互斥锁解锁
		
		if(nextp == 0)
		{
			sem_post(&apple);
		}
		else
		{
			sem_post(&orange);
		} 
		nextp = 1 - nextp; 
	}
}

void *Daughter()
{
	while(1)
	{
		int time = rand() % 10 + 1;          //随机使程序睡眠0点几秒
		usleep(time * 100000);        
		sem_wait(&apple); 
		pthread_mutex_lock(&mutex);
		printf("女儿取了一个苹果\n") ;
        fflush(stdout);
		pthread_mutex_unlock(&mutex);         //互斥锁解锁
		sem_post(&empty);
	}
}

void *Son()
{
	//请添加儿子线程的函数代码
}


int main()
{			
    sem_init(&empty, 0, 5);    //信号量初始化
	sem_init(&orange, 0, 0);
	sem_init(&apple, 0, 0);		
	pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  //互斥锁初始化		
	pthread_t dadid;	
	pthread_t daughterid;
	pthread_t sonid;		
	pthread_create(&dadid, NULL, Dad, NULL);   //创建爸爸线程	
	pthread_create(&daughterid, NULL, Daughter, NULL);   //创建女儿线程
	pthread_create(&sonid, NULL, Son, NULL);   //创建儿子线程		
	pthread_join(daughterid, NULL);
	pthread_join(sonid, NULL);   
	
	sem_destroy(&empty);         //信号量的销毁
	sem_destroy(&apple);
	sem_destroy(&orange);    

	

	pthread_mutex_destroy(&mutex);   //互斥锁的销毁

	

	return 0;
}

 补充代码：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <semaphore.h>

#include <pthread.h>


sem_t apple;
sem_t orange;
sem_t empty;
pthread_mutex_t mutex;

void * Dad() {
  int nextp = 0;
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; ++i) {
    int time = rand() % 10 + 1; //随机使程序睡眠0点几秒
    usleep(time * 100000);
    sem_wait( & empty);
    pthread_mutex_lock( & mutex);
    if (nextp == 0) {
      printf("爸爸放入了一个苹果\n");
    } else {
      printf("爸爸放入了一个桔子\n");
    }
    fflush(stdout);

    pthread_mutex_unlock( & mutex); //互斥锁解锁

    if (nextp == 0) {
      sem_post( & apple);
    } else {
      sem_post( & orange);
    }
    nextp = 1 - nextp;
  }
}

void * Daughter() {
  while (1) {
    int time = rand() % 10 + 1; //随机使程序睡眠0点几秒
    usleep(time * 100000);
    sem_wait( & apple);
    pthread_mutex_lock( & mutex);
    printf("女儿取了一个苹果\n");
    fflush(stdout);
    pthread_mutex_unlock( & mutex); //互斥锁解锁
    sem_post( & empty);
  }
}

void * Son() {
  //请添加儿子线程的函数代码
  while (1) {
    int time = rand() % 10 + 1;
    usleep(time * 100000);
    sem_wait( & orange);
    pthread_mutex_lock( & mutex);
    printf("儿子取了一个桔子\n");
    fflush(stdout);
    pthread_mutex_unlock( & mutex); //互斥锁解锁
    sem_post( & empty);
  }
}

int main() {
  sem_init( & empty, 0, 5); //信号量初始化
  sem_init( & orange, 0, 0);
  sem_init( & apple, 0, 0);
  pthread_mutex_init( & mutex, NULL); //互斥锁初始化		
  pthread_t dadid;
  pthread_t daughterid;
  pthread_t sonid;
  pthread_create( & dadid, NULL, Dad, NULL); //创建爸爸线程	
  pthread_create( & daughterid, NULL, Daughter, NULL); //创建女儿线程
  pthread_create( & sonid, NULL, Son, NULL); //创建儿子线程		
  pthread_join(daughterid, NULL);
  pthread_join(sonid, NULL);

  sem_destroy( & empty); //信号量的销毁
  sem_destroy( & apple);
  sem_destroy( & orange);

  pthread_mutex_destroy( & mutex); //互斥锁的销毁

  return 0;
}