理发师问题,也被称为“理发师悖论”,是计算机科学中的一个经典问题,它源于哲学上的自指悖论。在C语言中实现理发师问题,主要是为了探讨并发控制和同步问题,这在多线程编程中至关重要。这个问题的背景是一个小镇,其中只有一个理发师,他为所有镇民理发,但不能为自己理发。当理发师闲着时,他会在店里等待顾客;当有顾客(另一个线程)到来时,理发师(主线程)就会开始理发。然而,问题在于当理发师也需要理发时,他应该怎么做。
在C语言中解决这个问题,通常会用到互斥锁(mutex)和条件变量(condition variable)等同步原语。互斥锁用于保护共享资源,确保同一时间只有一个线程能访问;条件变量则允许线程在特定条件满足时才继续执行,否则会进入等待状态。
我们需要定义一些数据结构来表示理发师和顾客的状态,如一个全局的互斥锁和条件变量。例如:
```c
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
int barber_status; // 0 表示理发师在等待,1 表示理发师在工作
```
接下来,我们需要创建理发师和顾客的线程。理发师线程会不断检查自己的状态,如果理发师在等待,且有顾客到来(可以通过条件变量来通知),那么他就开始理发。顾客线程则会随机决定是否需要理发,如果需要,就尝试获取理发服务。
```c
void* barber(void* arg) {
while (1) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (barber_status == 1) { // 理发师正在工作,等待
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
barber_status = 1; // 理发师开始工作
printf("理发师开始理发...\n");
// 模拟理发过程
sleep(1);
barber_status = 0; // 理发结束,恢复等待
pthread_cond_signal(&cond); // 唤醒可能等待的顾客
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
}
void* customer(void* arg) {
int should_cut_hair = rand() % 2; // 随机决定是否需要理发
if (should_cut_hair) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (barber_status == 1) { // 理发师正在工作,等待
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
barber_status = 1; // 顾客开始理发
printf("顾客开始理发...\n");
// 模拟理发过程
sleep(1);
barber_status = 0; // 理发结束,恢复等待
pthread_cond_signal(&cond); // 唤醒理发师
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
}
```
在这个示例中,`Sleeping-Barber-main`程序可能包含上述代码,以及创建和销毁线程的逻辑。通过运行这个程序,我们可以观察到理发师和顾客如何正确地同步他们的行为,避免了理发师无法为自己理发的悖论。
解决理发师问题有助于理解多线程环境中的竞态条件、死锁和活锁等问题,这对于编写高效、可靠的并发程序至关重要。在实际的C语言编程中,还需要注意线程安全的编码实践,如避免数据竞争,并确保资源的正确释放。