Další metody synchronizace

Na tomto cvičení byste si měli vyzkoušet další metody synchronizace vláken přes podmínkové proměnné (condition variables).

Nastudujte si použití podmínkový proměnných a k tomu příslušné funkce v knihovně pthread:

• pthread_cond_init
• pthread_cond_destroy
• pthread_cond_signal
• pthread_cond_broadcast
• pthread_cond_wait

Vytvořte program simulující výrobní závod, který vyrábí 3 druhy výrobků. Každý výrobek musí projít pevně danou sekvencí operací na různých pracovištích. Pracoviště obsluhují dělníci, přičemž každý dělník je schopen obsluhovat právě jeden druh pracoviště. Počet dělníků a jemu příslušejících pracovišť je různý a v čase proměnlivý – dělníci přicházejí a odcházejí, pracoviště mohou přibývat nebo být vyřazována. Požadavky na výrobu, příchod a odchod dělníků a nákup/vyřazení strojů se zadávají přes standardní vstup aplikace následujícími příkazy (jeden příkaz na řádce ukončené '\n'):

• make <výrobek> – požadavek na výrobu výrobku; <výrobek> je “A”, “B”, nebo “C”
• start <jméno> <pracoviště> – příchod dělníka s uvedením jeho specializace
• end <jméno> – odchod dělníka
• add <pracoviště> – přidání nového pracoviště
• remove <pracoviště> – odebrání pracoviště

Parametry jsou odděleny mezerou. Při zadání neplatného příkazu či parametru, nebo špatného počtu parametrů, ignorujte celý řádek.

Celý proces je řízen dělníky. Každý dělník bude reprezentován samostatným vláknem, které bude vytvořeno při příchodu dělníka a ukončeno při jeho odchodu. Dělník potřebuje ke své práci polotovar (meziprodukt) a volné pracoviště pro které je specializován. Pokud nebude mít jedno nebo druhé, čeká. Pro první pracoviště nahrazuje meziprodukt požadavek na výrobu. Pokud má dělník vše potřebné k dispozici, vypíše informaci o své aktivitě a poté počká čas, který je definován pro každý typ operace. Formát výpisu aktivity je

<jméno> <pracoviště> <krok> <výrobek>

Karel vrtacka 2 A

Pokud dělník dokončí poslední operaci v procesu, vypíše

done <výrobek>

Výrobní procesy pro výrobky A–C jsou následující:

A: 1:nuzky   - 2:vrtacka - 3:ohybacka  - 4:svarecka - 5:vrtacka - 6:lakovna
B: 1:vrtacka - 2:nuzky   - 3:freza     - 4:vrtacka  - 5:lakovna - 6:sroubovak
C: 1:freza   - 2:vrtacka - 3:sroubovak - 4:vrtacka  - 5:freza   - 6:lakovna

Časy operací v milisekundách na pracovištích jsou následující:

• nuzky: 100
• vrtacka: 200
• ohybacka: 150
• svarecka: 300
• lakovna: 400
• sroubovak: 250
• freza: 500

Můžete předpokládat, že nepřijdou dva dělníci stejného jména.

Pokud se odebírá pracoviště, odeberte přednostně neobsazené. Pokud není žádné pracoviště daného typu volné, vyřaďte libovolné, ovšem až po dokončení aktuální operace.

Dělník odchází z pracoviště buď při ukončování celé aplikace (viz níže) nebo jako reakce na příkaz end. Dělník který má odejít nejdříve dokončí aktuálně rozdělanou práci. Pokud má dělník odejít na základě příkazu end, nesmí vzít novou práci. Při odchodu dělníka ukončete jeho vlákno.

Pokud může dělník v danou chvíli pracovat na více různých místech, vybírá si místo s nejvyšším možným krokem tak, aby se prioritně zpracovávaly zakázky nejblíže dokončení. Je-li takových víc, vybírá mezi nimi výrobek blíže začátku abecedy, tedy např. výrobek A před B.

Uzavření standardního vstupu (tzn. Váš program načte EOF ze stdin) je požadavkem na ukončení celé aplikace, přičemž vlastní ukončení aplikace a odchod dělníků neukončených příkazem end nastane až poté, co žádný dělník nemůže pracovat (dělníci čekají a pokud se objeví práce začnou ještě pracovat). Před definitivním koncem aplikace ukončete vlákna všech dělníků a dealokujte alokovanou paměť. Návratový kód aplikace bude 0.

• Čekání všech vláken musí být efektivní, nesmí být vytěžován procesor (busy waiting).
• Jsou-li dostupné zdroje, dělník musí započít práci okamžitě (co nejrychleji, bez zbytečné prodlevy).
• Standardní vstup čtěte pouze z hlavního vlákna.
• Příkazy ze vstupu vykonávejte bez zbytečného odkladu, tj. hlavní vlákno neblokujte, pokud to není nezbytně nutné.
• Standardní chybový výstup můžete použít pro libovolné ladící výpisy.
• Binární soubor aplikace se bude jmenovat factory a bude vytvořen ve stejném adresáři, kde se nachází Makefile.
• Výpis aktivity musí být proveden tak, aby nemohlo dojít k prohození s výpisem jiné aktivity, která začala později.
• Program překládejte s příznaky -Wall -g -O2 a navíc s příznaky v proměnné EXTRA_CFLAGS. Pokud tato proměnná není definována na příkazové řádce make, nastavte její hodnotu na “-fsanitize=address -fno-omit-frame-pointer” (viz např. operátor ''?=''). Pokud provádíte překlad a linkování odděleně, používejte příznaky v EXTRA_CFLAGS také při linkování.
• Pro načítání vstupu můžete použít následující vzor: (Případně alternativní šablonu sablona)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
 
/* You can use these functions and data structures to transform
 * strings to numbers and use them in arrays
 
enum place {
    NUZKY, VRTACKA, OHYBACKA, SVARECKA, LAKOVNA, SROUBOVAK, FREZA,
    _PLACE_COUNT
};
 
const char *place_str[_PLACE_COUNT] = {
    [NUZKY] = "nuzky",
    [VRTACKA] = "vrtacka",
    [OHYBACKA] = "ohybacka",
    [SVARECKA] = "svarecka",
    [LAKOVNA] = "lakovna",
    [SROUBOVAK] = "sroubovak",
    [FREZA] = "freza",
};
 
enum product {
    A, B, C,
    _PRODUCT_COUNT
};
 
const char *product_str[_PRODUCT_COUNT] = {
    [A] = "A",
    [B] = "B",
    [C] = "C",
};
 
int find_string_in_array(const char **array, int length, char *what)
{
    for (int i = 0; i < length; i++)
	if (strcmp(array[i], what) == 0)
	    return i;
    return -1;
}
*/
 
/* It is not necessary to represent each working place with a dynamically allocated object.
 * You can store only number of ready places
 * int ready_places[_PLACE_COUNT];
 */
 
/* It is not necessary to represent each part as a dynamically allocated object.
 * you can have only number of parts for each working phase
 * #define _PHASE_COUNT 6
 * int parts[_PRODUCT_COUNT][_PHASE_COUNT]
 */
 
int main(int argc, char **argv)
{
    /* Initialize your internal structures, mutexes and conddition
     * variables. */
 
    while (1) {
	char *line, *cmd, *arg1, *arg2, *arg3, *saveptr;
	int s = scanf(" %m[^\n]", &line);
	if (s == EOF)
	    break;
	if (s == 0)
	    continue;
 
	cmd  = strtok_r(line, " ", &saveptr);
	arg1 = strtok_r(NULL, " ", &saveptr);
	arg2 = strtok_r(NULL, " ", &saveptr);
	arg3 = strtok_r(NULL, " ", &saveptr);
 
	if (strcmp(cmd, "start") == 0 && arg1 && arg2 && !arg3) {
	    /* - start new thread for new worker
	     * - copy (e.g. strdup()) worker name from arg1, the
	     *   arg1 will be removed at the end of scanf cycle
	     * - workers should have dynamic objects, you don't know
	     *   total number of workers */
	} else if (strcmp(cmd, "make") == 0 && arg1 && !arg2) {
	    /* int product = find_string_in_array(product_str, _PRODUCT_COUNT, arg1);
	     *
	     * if (product >= 0) {.....
	     *   add the part to factory cycle
	     *   you need to wakeup worker to start working if possible
	     */
	} else if (strcmp(cmd, "end") == 0 && arg1 && !arg2) {
	    /* tell the worker to finish
	     * the worker has to finish their work first
	     * you should not wait here for the worker to finish */
	    /* if the worker is waiting for work
	       you need to wakeup the worker */
	} else if (strcmp(cmd, "add") == 0 && arg1 && !arg2) {
	    /* add new place */
	    /* if worker and part is ready, start working - wakeup worker */
	} else if (strcmp(cmd, "remove") == 0 && arg1 && !arg2) {
	    /* if you cannot remove empty place you cannot wait for finish work */
	} else {
	    fprintf(stderr, "Invalid command: %s\n", line);
	}
	free(line);
    }
 
    /* Wait for every worker to finish their work. Nobody should be
     * able to continue. */
}

Vstup:

add nuzky
add vrtacka
add ohybacka
add svarecka
add lakovna
add sroubovak
add freza
        
start Nora nuzky
start Vojta vrtacka
start Otakar ohybacka
start Sofie svarecka
start Lucie lakovna
start Stepan sroubovak
start Filip freza

make A

Výstup:

Nora nuzky 1 A
Vojta vrtacka 2 A
Otakar ohybacka 3 A
Sofie svarecka 4 A
Vojta vrtacka 5 A
Lucie lakovna 6 A
done A

Žádná – na vypracování této úlohy máte 2 týdny.