信號量與臨界資源的使用——雙向道路汽車過窄橋

臨界資源或臨界區是指在同一時刻只允許一個進程或線程訪問，並且只有當佔有該資源的進程釋放了該資源後，才能被其他進程使用。因此需要設計一種機制保障進程間的通信，使得不同的進程能夠知道臨界資源的使用情況，當某個進程佔據了臨界資源時，應該告知其他進程該資源已經被佔用，避免其他進程錯誤的訪問和使用臨界資源。信號量即是一種進程間通信的方法，它使用一個整形變量來累計喚醒次數，供以後使用，當信號量只有兩種狀態時，表示該資源只能被喚醒一次或者佔用一次，此時對臨界資源的訪問就是互斥的。

在這裏我設計了一個多線程編程的小程序，通過動畫的形式展示出來上述調度過程。設計了一個雙向單車道的道路上中間有一個窄橋，一次只允許一輛車通過。因此不同方向的來車在通過窄橋時候應該首先判斷橋是否爲空，只有爲空的情況下才能通過，並且當佔有橋時候，還要告訴其他車輛該橋已經有車通過。因此在程序中設置了一個表示臨界資源——橋的信號量bridgeMutex，初始化爲0，當有車佔有橋時候，即將信號量設置爲1，其他要上橋的車輛即被阻塞，當車輛通過橋後，就喚醒信號量bridgeMutex，重新設置爲0.此時其他車輛就可以訪問橋了。在這個程序中每一個車輛是一個線程。測試的時候生成了兩個車輛，也就是兩個線程，當兩個車輛行駛到橋的時候，會發現其中一個車輛會等另外一個車輛先通過後，自己再通過。先通過的車輛即搶先佔據臨界資源的車輛。

程序是採用C語言編程的，建立的是.cpp文件，需要配置多線程編程的環境，採用的是POSIX線程標準的Pthread. 另外爲了通過動畫演示，配置了一個easyx圖形庫的環境。

C程序源代碼如下：

#include <pthread.h>
#include <iostream>
#include "easyx.h"
#include <graphics.h>
#include "time.h"
#pragma comment(lib, "pthreadVC2.lib")
int bridgeMutex=0;
int rightEnd=617,leftEnd=1;
int moveStep=22,goRight=295,goLeft=320,onBridge=307;
int leftRodeUp[12],leftRodeDown[12],rightRodeUp[12],rightRodeDown[12],bridge[5];

void* carGoRight(void* args);
void* carGoLeft(void* args);

int drawGoRight(int i,int j);
int drawGoLeft(int i,int j);
int drawRode();

int main(){
pthread_t goRight[10];
pthread_t goLeft[10];
int i=0;
initgraph(640,640);
for (i=0;i<12;i++)
{
leftRodeUp[i]=0;
leftRodeDown[i]=0;
rightRodeUp[i]=0;
rightRodeDown[i]=0;
if(i<5)
{
bridge[i]=0;
}
}
drawRode();
for(i=0;i<1;i++)
{
pthread_create(&goRight[i],NULL,carGoRight,NULL);
pthread_create(&goLeft[i],NULL,carGoLeft,NULL);
pthread_join(goRight[i],NULL);
pthread_join(goLeft[i],NULL);
}
Sleep(2000);
return 0;
}

void* carGoRight(void* args)
{
int i=1,j=295,k=0;
while(i<=rightEnd)
{
k=(i-1)/moveStep;
if (k<12)
{
while (leftRodeUp[k]==1)
{
Sleep(100);
}
leftRodeUp[k]=1;
if (k>0)
{
leftRodeUp[k-1]=0;
clearrectangle(i-22,j+4,i,j+5+19); //清除原來位置的車
}
drawGoRight(i+1,j+5);

i += 22;

}
else if (k==12) //等待上橋
{
while (bridgeMutex==1)
{
Sleep(100);
}
bridgeMutex=1; //佔有臨界區——窄橋
bridge[k-12]=1;
leftRodeUp[k-1]=0;
clearrectangle(i-22,j+4,i,j+5+19);

drawGoRight(i+1,j+5+12);
i += 22;
}
else if(k<17)
{
bridge[k-12]=1;
bridge[k-12-1]=0;
clearrectangle(i-22,j+4+12,i,j+5+19+12);
drawGoRight(i+1,j+5+12);
i += 22;
}
else if (k==17) //進入右邊道路，釋放橋
{
while (rightRodeUp[k-17]==1)
{
Sleep(100);
}
rightRodeUp[k-17]=1;
bridge[k-12-1]=0;
bridgeMutex=0;
clearrectangle(i-22,j+4+12,i,j+5+19+12);
drawGoRight(i+1,j+5);
i += 22;
}
else if (k<29)//在右邊道路上
{
while (rightRodeUp[k-17]==1)
{
Sleep(100);
}
rightRodeUp[k-17]=1;
rightRodeUp[k-17-1]=0;
clearrectangle(i-22,j+4,i,j+5+19);
drawGoRight(i+1,j+5);
i += 22;
}
Sleep(300);
}
rightRodeUp[11]=0;
clearrectangle(i-22,j+4,i,j+5+19);
return NULL;
}

void* carGoLeft(void* args)
{
int i=rightEnd,j=320,k=0;
while(i>=leftEnd)
{
k=(rightEnd-i)/moveStep;
if (k<12) //在左邊道路上
{
while (rightRodeDown[11-k]==1)
{
Sleep(100);
}
rightRodeDown[11-k]=1;
if (k>0)
{
rightRodeDown[11-k+1]=0;
clearrectangle(i+22,j+4,i+44,j+5+19); //清除原來位置的車
}
drawGoLeft(i+1,j+5);

i -= 22;

}
else if (k==12) //等待上橋
{
while (bridgeMutex==1)
{
Sleep(100);
}
bridgeMutex=1; //佔有臨界區——窄橋
bridge[16-k]=1;
rightRodeDown[11-k+1]=0;
clearrectangle(i+22,j+4,i+44,j+5+19);

drawGoLeft(i+1,j+5+12-25);
i -= 22;
}
else if(k<17)
{
bridge[16-k]=1;
bridge[16-k+1]=0;
clearrectangle(i+22,j+4+12-25,i+44,j+5+19+12-25);
drawGoLeft(i+1,j+5+12-25);
i -= 22;
}
else if (k==17) //進入左邊道路，釋放橋
{
while (leftRodeDown[28-k]==1)
{
Sleep(100);
}
leftRodeDown[28-k]=1;
bridge[17-k]=0;
bridgeMutex=0;
clearrectangle(i+22,j+4+12-25,i+44,j+5+19+12-25);
drawGoLeft(i+1,j+5);
i -= 22;
}
else if (k<29)//在左邊道路上
{
while (leftRodeDown[28-k]==1)
{
Sleep(100);
}
leftRodeDown[28-k]=1;
leftRodeDown[28-k+1]=0;
clearrectangle(i+22,j+4,i+44,j+5+19);
drawGoLeft(i+1,j+5);
i -= 22;
}
Sleep(300);
}
leftRodeDown[0]=0;
clearrectangle(1,j+4,1+22,j+5+19);
return NULL;
}

int drawGoRight(int i,int j)
{
rectangle(i,j,i+20,j+15);
solidcircle(i+5,j+15,3);
solidcircle(i+15,j+15,3);
line(i+7,j+5,i+13,j+5);
line(i+13,j+5,i+11,j+3);
line(i+13,j+5,i+11,j+8);
return 1;
}
int drawGoLeft(int i,int j)
{
rectangle(i,j,i+20,j+15);
solidcircle(i+5,j+15,3);
solidcircle(i+15,j+15,3);

line(i+7,j+5,i+13,j+5);
line(i+7,j+5,i+9,j+3);
line(i+7,j+5,i+9,j+8);
return 1;
}
int drawRode()
{
//clearrectangle(i-1,j-1,i+21,j+19);
line(0,295,265,295);//left rode
line(0,345,265,345);
line(0,320,265,320);

line(265,307,265,295);
line(265,333,265,345);

line(265,307,375,307);//bridge
line(265,333,375,333);

line(375,295,640,295);//right rode
line(375,345,640,345);
line(375,320,640,320);

line(375,295,375,307);
line(375,345,375,333);

return 1;
}