一、题目
睡觉助教
某大学计算机科学系有一名助教（TA），他在正常的工作时间帮助本科生完成编程任务。助教办公室相当小，只有一张桌子、一把椅子和一台电脑。办公室外面的走廊里有三把椅子，如果他正在帮助一个学生，其它学生可以坐在那里等待。当没有学生在工作时间需要帮助时，助教就坐在桌子旁边打个盹儿。如果学生在办公时间到达，发现助教睡着了，学生必须叫醒助教寻求帮助。如果一个学生来了并且发现他现在正在帮助另一个学生，那么他会坐在走廊里的一把椅子上并等待。如果没有椅子可用，学生稍后会回来。
使用 POSIX 线程、互斥锁和信号量，实现一个协调 TA 和学生活动的解决方 案。此任务的详细信息如下。
学生与 TA
使用 pthreads，首先创建 n 个学生。每个作为单独线程来运行。TA 也将作
为单独的线程运行。学生线程在编程和寻求助教帮助之间交替。如果 TA 有空，
他们将获得帮助。否则，学生要么坐在走廊的椅子上，如果没有椅子可用，将恢 复编程并将在以后寻求帮助。如果学生到达并注意到 TA
正在睡觉，学生应采用 信号量通知他。当 TA 完成帮助一个学生时，必须查看走廊里是否有等待帮助的 学生。如果有，TA
应该依次帮助这些学生。如果没有学生在场，TA 可以继续打 盹。 学生编程和助教为学生提供帮助的最好模拟方法，是让线程随机睡眠一段时 间。
请参考 POSIX 同步中的互斥锁和信号量等相关机制。
二、思路一
1.题目解析
此题的原意是用c语言解决，去调用函数库中的方法，但我之前说了，多进程/多线程是在操作系统层面上的概念，与语言无关（可以用语言去实现，事实上上linux就是用c语言+汇编实现了多进程/线程管理的）
这里我用Java来解决这个题目（当然主要是因为我比较熟悉Java）。
回到正题，我们先把此题翻译一下：
有多个学生（多个线程），每隔一段时间学生线程就会去老师办公室看看（状态信号量），如果助教在打盹，那么叫醒助教（锁住并占有资源），如果老师在辅导学生，那么该学生线程就会去看看外面三个位子（空位信号量）有没有空的，如果有空的，则占有一个位子，否则回去继续编程。
据此，我的思路就是设置两个信号量（status，waitStu），三把锁（lock1,lock2,lock3）。
//可重入锁，synchronized锁太重了 //对status变量加锁 private final Lock lock1=new ReentrantLock(); //对waitStu变量加锁 private final Lock lock2=new ReentrantLock(); //对于请教过程加锁 private final Lock lock3=new ReentrantLock(); //三个座位 private Integer waitStu=3; //助教的状态，true表示醒着,false表示正在打盹 private boolean status=false;
为什么要三把锁，而不是一把呢？
这是因为我在这里设计的老师类包括了老师本身和外面等待的位置，所以我需要不同的锁保证不同资源的合理访问（当然你也可以不这么设计），同时需要有细粒度的锁来保证status，waitStu这两个信号量的正确性。
所以这三把锁的作用：
lock1:对status变量加锁，保证对status信号量的访问修改正确
lock2：对waitStu变量加锁,保证对waitStu信号量的访问修改正确
lock3：对老师这个资源上锁，如果有多个线程试图访问，未持有该锁的线程将会阻塞
其实这三把锁并无区别，从代码实现上来看都是一个ReentrantLock对象，无其他不同的参数，我们只是在逻辑上赋予它们不同的作用，至于是什么作用取决于它上锁和解锁的时机。
两个信号量的作用：
status：助教的状态，true表示醒着,false表示正在打盹
waitStu：剩余等待位子数量
2.具体代码
代码实现如下：
package com.dreamchaser.concurrent; import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; /** * 睡觉助教 */ public class Proj3_1 { public static void main(String[] args) { Teacher teacher=new Teacher(); Student student1=new Student("张三",teacher,1000); Student student2=new Student("李四",teacher,2000); Student student3=new Student("King",teacher,500); Student student4=new Student("jhl",teacher,500); Student student5=new Student("王五",teacher,600); student1.start(); student2.start(); student3.start(); student4.start(); student5.start(); //保持主线程一直运行，避免主线程关闭导致其他线程关闭 while (true){} } static class Teacher{ //可重入锁，synchronized锁太重了 //对status变量加锁 private final Lock lock1=new ReentrantLock(); //对waitStu变量加锁 private final Lock lock2=new ReentrantLock(); //对于请教过程加锁 private final Lock lock3=new ReentrantLock(); //三个座位 private Integer waitStu=3; //助教的状态，true表示醒着,false表示正在打盹 private boolean status=false; /** * 求教助教 */ public void consult(String sname){ lock1.lock(); //如果老师正在打盹 if (!status){ status=true; lock1.unlock(); //这个锁主要用来锁住请教的过程 lock3.lock(); }else { lock1.unlock(); //位子满了不用执行下面的了 if (!wait(sname)){ return; } } System.out.println(sname+"正在请教老师，老师正在帮助学生！"); //让线程停一下，模拟请教老师的过程 try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(sname+"请教完了"); System.out.println("助教打盹了！"); status=false; //解锁 lock3.unlock(); } /** * 等待方法 * @param sname * @return */ private boolean wait(String sname){ //锁住waitStu lock2.lock(); try { if (waitStu>0){ waitStu--; //释放该变量的锁（防止修改waitStu时出现错误） //当老师正在帮助学生时，等待 System.out.println(sname+"正在坐在座位上等待！剩余座位："+waitStu); lock2.unlock(); //尝试锁住lock3 lock3.lock(); //当没人请教老师时，空闲座位+1 //这里加锁是为了方式修改waitStu信号量时发生错误 lock2.lock(); waitStu++; System.out.println(sname+"离开座位，去请教助教！剩余座位："+waitStu); return true; }else { System.out.println("没位置了，"+sname+"回去编程了！"); return false; } }finally { lock2.unlock(); } } } static class Student extends Thread{ private String name; private Teacher teacher; private long time; public Student(String name,Teacher teacher,long time) { this.name=name; this.teacher=teacher; this.time=time; } @Override public void run() { while (true){ teacher.consult(name); //模拟间隔时间，隔一段时间问老师，隔一段时间编程 try { Thread.sleep(time); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(name+"正在编程..."); try { Thread.sleep(time); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } }
注：以上代码其实并不优美，对于lock的上锁的和解锁操作并不规范，更规范的做法是用try-catch包裹上锁过程以及执行逻辑，并在finally代码块里释放锁，但因为作者水平原因同时考虑到实现的逻辑，我目前并没有很好的思路去优化，或许随着我不断学习深入，未来会有更好的方法和思路。所以呢，以上代码仅做参考，如有建议欢迎在评论区评论。
3.运行效果截图
三、思路二（思路优化）
原本博文只有思路一的，但那时我便发现之前的代码并不规范，逻辑也不太清晰，而随着学习深入我对之前的思路进行优化，使代码更加简单规范，遂有了思路二。
1.优化思路
原先的思路一，也就是我开始的想法是定义了两个信号量，三把锁。但后来我发现所谓锁其实就可以看做Boolean类型的信号量，所以实现上就可以只用一个信号量——剩余等待数，而锁也只需两把，一把锁教师，一把锁等待空位。这样代码就简便了很多。
而对于逻辑上来说，当发现老师在工作时应该是查看空位是否还有剩余，而非阻塞，所以用Java里面lock.tryLock()方法会更合适。同时加锁释放锁都在try-catch结构体中进行会更加规范，有利于提升代码可读性和降低代码出错率。
2.代码实现
package com.dreamchaser.concurrent; import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; /** * 睡觉助教 */ public class Proj3_1 { public static void main(String[] args) { Teacher teacher=new Teacher(); Student student1=new Student("张三",teacher,1000); Student student2=new Student("李四",teacher,2000); Student student3=new Student("King",teacher,500); Student student4=new Student("jhl",teacher,500); Student student5=new Student("王五",teacher,600); student1.start(); student2.start(); student3.start(); student4.start(); student5.start(); //保持主线程一直运行，避免主线程关闭导致其他线程关闭 while (true){} } static class Teacher{ //可重入锁，synchronized锁太重了 //对请教老师变量加锁 private final Lock lock1=new ReentrantLock(); //对waitStu变量加锁 private final Lock lock2=new ReentrantLock(); //三个座位 private Integer waitStu=3; /** * 求教助教 */ public void consult(String sname){ if (lock1.tryLock()){ try { work(sname); }finally { lock1.unlock(); } }else { //如果没有则等待 //位子满了不用执行下面的了 if (!wait(sname)){ return; } //做完等待的事后去尝试获取锁，如果获取不到则被阻塞 lock1.lock(); try { //当没人请教老师时，空闲座位+1 //这里加锁是为了方式修改waitStu信号量时发生错误 lock2.lock(); try{ waitStu++; System.out.println(sname+"离开座位，去请教助教！剩余座位："+waitStu); }finally { lock2.unlock(); } work(sname); }finally { lock1.unlock(); } } } /** * 工作 * @param sname 学生姓名 */ private void work(String sname){ System.out.println(sname+"正在请教老师，老师正在帮助学生！"); //让线程停一下，模拟请教老师的过程 try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(sname+"请教完了"); System.out.println("助教打盹了！"); } /** * 等待方法 * @param sname * @return */ private boolean wait(String sname){ //锁住waitStu lock2.lock(); try { if (waitStu>0){ waitStu--; //释放该变量的锁（防止修改waitStu时出现错误） //当老师正在帮助学生时，等待 System.out.println(sname+"正在坐在座位上等待！剩余座位："+waitStu); return true; }else { System.out.println("没位置了，"+sname+"回去编程了！"); return false; } }finally { lock2.unlock(); } } } static class Student extends Thread{ private String name; private Teacher teacher; private long time; public Student(String name,Teacher teacher,long time) { this.name=name; this.teacher=teacher; this.time=time; } @Override public void run() { while (true){ teacher.consult(name); //模拟间隔时间，隔一段时间问老师，隔一段时间编程 try { Thread.sleep(time); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(name+"正在编程..."); try { Thread.sleep(time); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } }
3.运行结果截图
结语
以上是我的实现思路。希望我的思路能个各位有所帮助，当然，如果有什么意见或者建议的，欢迎在评论区评论。
