进程通信与进程同步机制实现.docx
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进程通信与进程同步机制实现.docx
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进程通信与进程同步机制实现
一.课程设计题目
某银行提供10个服务窗口(7个对私服务窗口,3个对公服务窗口)和100个供顾客等待的座位。
顾客到达银行时,若有空座位,则到取号机上领取一个号,等待叫号。
取号机每次仅允许一位顾客使用,有对公和对私两类号,美味顾客只能选取其中一个。
当营业员空闲时,通过叫号选取一位顾客,并为其服务。
请用P、V操作写出进程的同步算法。
二.课程设计目的
1、掌握基本的同步与互斥算法,理解银行排队系统操作模型。
2、学习使用Windows2000/XP中基本的同步对象,掌握相关API的使用方法。
3、了解Windows2000/XP中多线程的并发执行机制,实现进程的同步与互斥。
三.课程设计要求
◆学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则;
◆学习了解Windows同步对象及其特性;
◆熟悉实验环境,掌握相关API的使用方法;
◆设计程序,实现生产者/消费者进程(线程)的同步与互斥;
◆提交实验报告。
四.需要了解的知识
1.同步对象
同步对象是指Windows中用于实现同步与互斥的实体,包括信号量(Semaphore)、互斥量(Mutex)、临界区(CriticalSection)和事件(Events)等。
本实验中使用到信号量、互斥量和临界区三个同步对象。
2.同步对象的使用步骤:
◆创建/初始化同步对象。
◆请求同步对象,进入临界区(互斥量上锁)。
◆释放同步对象(互斥量解锁)。
五.需要用到的API函数及相关函数
我们利用WindowsSDK提供的API编程实现实验题目要求,而VC中包含有WindowsSDK的所有工具和定义。
要使用这些API,需要包含堆这些函数进行说明的SDK头文件——最常见的是Windows.h(特殊的API调用还需要包含其他头文件)。
本实验使用到的API的功能和使用方法简单介绍
1、WaitForSingleObject(hSemaphoreChairs,INFINITE);
WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);
●功能——使程序处于等待状态,直到信号量hHandle出现(即其值大于等于1)或超过规定的等待时间
●格式
DWORDWaitForSingleObject(HANDLEhHandle,DWORDdwMilliseconds);
●参数说明
hHandle——信号量指针。
dwMilliseconds——等待的最长时间(INFINITE为无限等待)。
2、ReleaseMutex(hMutex);
●功能——打开互斥锁,即把互斥量加1。
成功调用则返回0
●格式
BOOLReleaseMutex(HANDLEhMutex);
ReleaseSemaphore(hSemaphoreShoppers,1,NULL);
●功能——对指定信号量加上一个指定大小的量。
成功执行则返回非0值
●格式
BOOLReleaseSemaphore(HANDLEhSemaphore,
LONGlReleaseCount,
LPLONGlppreviousCount);
●参数说明
hSemaphore——信号量指针。
lReleaseCount——信号量的增量。
lppreviousCount——保存信号量当前值。
3、hShoppersThread=CreateThread(NULL,0,fnTreadFunction,NULL,0,NULL);
CreateThread
●功能——创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程
●格式
HANDLECreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTESlpThreadAttributes,
DWORDdwStackSize,
LPTHREAD_START_ROUTINElpStartAddress,
LPVOIDlpParamiter,
DWORDdwCreationFlags,
LpdwordlpThread);
●参数说明
lpThreadAttributes——指向一个LPSECURITY_ATTRIBUTES(新线程的安全性描述符)。
dwStackSize——定义原始堆栈大小。
lpStartAddress——指向使用LPTHRAED_START_ROUTINE类型定义的函数。
lpParamiter——定义一个给进程传递参数的指针。
dwCreationFlags——定义控制线程创建的附加标志。
lpThread——保存线程标志符(32位)
4、hMutex=CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);
hMutexBarber=CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);
●功能——创建一个命名或匿名的互斥量对象
●格式
HANDLECreateMutex(LPSECURITY_ATTRIBUTESlpMutexAttributes,
BOOLbInitialOwner,
LPCTSTRlpName);
5.hSemaphoreChairs=CreateSemaphore(NULL,dwWaitVolume,dwWaitVolume,NULL);
hSemaphoreShoppers=CreateSemaphore(NULL,0,dwWaitVolume,NULL);
●功能——创建一个命名或匿名的信号量对象
●格式
HANDLECreateSemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTESlpSemaphoreAttributes,
LONGlInitialCount,
LONGlMaximumCount,
LPCTSTRlpName);
●参数说明
lpSemaphoreAttributes——必须取值NULL。
lInitialCount——信号量的初始值。
该值大于0,但小于lMaximumCount指定的最大值。
lMaximumCount——信号量的最大值。
lpName——信号量名称。
hBarberThread=CreateThread(NULL,0,fnBarberFunction,NULL,0,NULL);
●功能——创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程
●格式
HANDLECreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTESlpThreadAttributes,
DWORDdwStackSize,
LPTHREAD_START_ROUTINElpStartAddress,
LPVOIDlpParamiter,
DWORDdwCreationFlags,
LpdwordlpThread);
●参数说明
lpThreadAttributes——指向一个LPSECURITY_ATTRIBUTES(新线程的安全性描述符)。
dwStackSize——定义原始堆栈大小。
lpStartAddress——指向使用LPTHRAED_START_ROUTINE类型定义的函数。
lpParamiter——定义一个给进程传递参数的指针。
dwCreationFlags——定义控制线程创建的附加标志。
lpThread——保存线程标志符(32位)
六.原理及算法
1、信号量设置
hMutex:
取号机互斥信号量
hSemaphorePubCus:
等待对公服务顾客的数量
hSemaphorePriCus:
等待对私服务顾客的数量
hSemaphoreSeats:
剩余空座位的数量
2、线程创建
fnPubser1,fnPubser2,fnPubser3:
3个对公窗口线程
fnPriser1,fnPriser2,fnPriser3,fnPriser4,fnPriser5,fnPriser6,
fnPriser7:
7个对私窗口线程
fnPubTreadFunction:
对公顾客线程
fnPriTreadFunction:
对私顾客线程
seat:
可用座位数量
Pubcus=0:
初始对公顾客等待数量
Pricus=0:
初始对私顾客等待数量
dwCustoms=0:
初始顾客排队数量
3、P、V操作
semaphorehMutex,hSemaphorePubCus,hSemaphorePriCus,hSemaphoreSeats;
intseat,Pubcus=0,Pricus=0,dwCustoms=0;
hMutex.value=1;hSemaphorePubCus.value=0;hSemaphorePriCus.value=0;hSemaphoreSeats.value=seat;
processA//顾客线程
{inti=0;
p(&hSemaphoreSeats);
p(&hMutex);
在取号机上取号;
intset=rand()%2;
Switch(set)
{
case0:
创建对公顾客线程;
dwCustoms++;
default:
创建对私顾客线程;
dwCustoms++;
}
v(&mutex);
等待叫号;
接受服务;
v(&hSemaphorePubCus);//当取到对私服务号时为v(&hSemaphorePriCus);
}
processB//窗口线程,分对公窗口与对私窗口,执行过程相似,在此只写出其中一个窗口线程
{
P(&hSemaphorePubCus);//当取到对私服务号是为p(&hSemaphorePriCus);
若有顾客等待,则通过叫号为下一位顾客服务;
dwCustoms--;
v(&hSemaphoreSeats);
为顾客提供服务
顾客离开;
}
七.算法流程图
八.主要数据结构及实现
通过创建十二个线程来实现银行排队系统,3个对公窗口,7个对私窗口,1个对公等待顾客,1个对私等待顾客,十个窗口建立之后,来顾客就执行,没顾客就挂起,进入等待状态,通过设计一个随机数来实现对公对私窗口的区分,服务时间可以通过设计一个随机时间来实现,四个信号量,其中一个互斥信号量是取号机的,因为取号机只能一个人用,其余三个分别是等待室的信号量,对公和对私服务信号量,进来一个人时,先检查座位是否满了,没满,则取号,进入等待室,然后等待窗口叫号,当服务完时,离开并释放一个座位。
顾客线程创建过程:
(顾客线程分对公顾客线程与对私顾客线程,创建过程基本类似,下面列举对公顾客线程创建过程)
DWORDWINAPIfnPriTreadFunction(LPVOIDlpParameter)
{
/*进入等待室PV操作*/
WaitForSingleObject(hSemaphoreSeats,INFINITE);
//检查等待室有没有空位,有则继续
WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE);
//进入等待室,同时不允许其他顾客进入
PrivateCustomers++;
cout<<"\n第"< \n"; ReleaseMutex(hMutex); ReleaseSemaphore(hSemaphorePrivateCustomers,1,NULL); //释放一个信号量使顾客可以接受服务 return0; } 窗口线程创建过程: (窗口线程分3个对公窗口与7个对私窗口,创建过程基本类似,下面列举对公窗口1线程创建过程) DWORDWINAPIPublicSevice2(LPVOIDlpParameter) { while (1) { if(PublicCustomers<=2) { cout<<"对公窗口2空闲! \n"; } /*开始对公服务PV操作*/ WaitForSingleObject(hSemaphorePublicCustomers,INFINITE); //检查有没有顾客等待服务,有则继续 WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE); //进入等待室时不允许其他顾客进入 WaitForSingleObject(PublicSevice2,INFINITE); //开始服务 ReleaseMutex(hMutex); //释放互斥量,室其他人可以进入 ReleaseSemaphore(hSemaphoreSeats,1,NULL); //释放信号量使其它顾客可以进入等待室 cout<<"第"< \n"; //窗口正在服务,服务延时 cout<<"第"< \n"; WaitCustoms--; //记录顾客离开的序号 ReleaseMutex(hSemaphoreSeats); //释放信号量使其它顾客可以到达窗口接受服务 CloseHandle(PublicSevice2); } } 九.实验测试结果及结果分析 结果分析 顾客进入银行之后,首先判断是否有空座位,若有,则在取号机上取号,等待窗口服务。 对于窗口而言,只要其空闲,则按照顾客取号的顺序为顾客提供服务。 所有线程执行结束之后程序结束。 十.课程设计总结 通过此次课程设计,对银行排队系统有了较为透彻的了解,同时也了解到了c++中许多api功能函数的运用,觉得c++真的是包含了好多好多功能,以前就以为只需要学会书上的东西就行,现在发现其实不然,好多东西都是我们从实践中学习到的,好多库函数自己根本就不知道,感觉这次真的学到了好多,不仅仅是把银行排队系统理解了,更重要的是巩固了以前的知识,学到了新的东西。 回顾此次课程设计,自从拿到题目到完成整个编程,从理论到实践,我们学到很多的知识,不仅巩固了以前所学的知识,而且学到很多课外的知识,通过本次设计,让我们懂得了理论与实际相结合的重要性,只有把所学的理论知识与实践相结合,才能真正提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 总之,此次课程设计给我们提供了一个既动手又动脑、自学、独立实践的机会,是我们养成自学的好习惯,锻炼了实际分析问题和解决问题的能力,提高了适应实际编写的能力,为今后的学习和实践打下良好的基础。 十一.源程序清单 主要代码 #include #include #include #include #include #include usingnamespacestd; DWORDseat,PublicCustomers=0,PrivateCustomers=0,WaitCustoms=0; //分别设定座位的初始值,对公对私顾客窗口的初始值,等待顾客的初始值 HANDLEhMutex,hSemaphorePublicCustomers,hSemaphorePrivateCustomers,hSemaphoreSeats; //分别设定取号机的互斥量,等待对公服务顾客的数量,等待对私服务顾客的数量和等待室剩余座位数的信号量 DWORDWINAPIfnPubTreadFunction(LPVOIDlpParameter) { /*进入等待室PV操作*/ WaitForSingleObject(hSemaphoreSeats,INFINITE); //检查等待室有没有空位,有则继续 WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE); //进入等待室,同时不允许其他顾客进入 PublicCustomers++; cout<<"\n第"< \n"; ReleaseMutex(hMutex); //创建对公服务窗口线程 ReleaseSemaphore(hSemaphorePublicCustomers,1,NULL); return0; } DWORDWINAPIfnPriTreadFunction(LPVOIDlpParameter) { /*进入等待室PV操作*/ WaitForSingleObject(hSemaphoreSeats,INFINITE); //检查等待室有没有空位,有则继续 WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE); //进入等待室,同时不允许其他顾客进入 PrivateCustomers++; cout<<"\n第"< \n"; ReleaseMutex(hMutex); ReleaseSemaphore(hSemaphorePrivateCustomers,1,NULL); //释放一个信号量使顾客可以接受服务 return0; } DWORDWINAPIPublicSevice1(LPVOIDlpParameter) { while (1) { if(PublicCustomers<=1) { cout<<"对公窗口1空闲! \n"; } /*开始对公服务PV操作*/ WaitForSingleObject(hSemaphorePublicCustomers,INFINITE); //检查有没有顾客等待服务,有则继续 WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE); //进入等待室时不允许其他顾客进入 WaitForSingleObject(PublicSevice1,INFINITE); //开始服务 ReleaseMutex(hMutex); //释放互斥量,室其他人可以进入 ReleaseSemaphore(hSemaphoreSeats,1,NULL); //释放信号量使其它顾客可以进入等待室 cout<<"第"< \n"; //窗口正在服务,服务延时 cout<<"第"< \n"; WaitCustoms--; //记录顾客离开的序号 ReleaseMutex(hSemaphoreSeats); //释放信号量使其它顾客可以到达窗口接受服务 CloseHandle(PublicSevice1); } } DWORDWINAPIPublicSevice2(LPVOIDlpParameter) { while (1) { if(PublicCustomers<=2) { cout<<"对公窗口2空闲! \n"; } /*开始对公服务PV操作*/ WaitForSingleObject(hSemaphorePublicCustomers,INFINITE); //检查有没有顾客等待服务,有则继续 WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE); //进入等待室时不允许其他顾客进入 WaitForSingleObject(PublicSevice2,INFINITE); //开始服务 ReleaseMutex(hMutex); //释放互斥量,室其他人可以进入 ReleaseSemaphore(hSemaphoreSeats,1,NULL); //释放信号量使其它顾客可以进入等待室 cout<<"第"< \n"; //窗口正在服务,服务延时 cout<<"第"< \n"; WaitCustoms--; //记录顾客离开的序号 ReleaseMutex(hSemaphoreSeats); //释放信号量使其它顾客可以到达窗口接受服务 CloseHandle(PublicSevice2); } } DWORDWINAPIPublicSevice3(LPVOIDlpParameter) { while (1) { if(PublicCustomers<=3) { cout<<"对公窗口3空闲! \n"; } /*开始对公服务PV操作*/ WaitForSingleObject(hSemaphorePublicCustomers,INFINITE); //检查有没有顾客等待服务,有则继续 WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE); //进入等待室时不允许其他顾客进入 WaitForSingleObject(PublicSevice3,INFINITE); //开始服务 ReleaseMutex(hMutex); //释放互斥量,室其他人可以进入 ReleaseSemaphore(hSemaphoreSeats,1,NULL); //释放信号量使其它顾客可以进入等待室 cout<<"第"< \n"; //窗口正在服务,服务延时 cout<<"第"< \n"; WaitCustoms--; //记录顾客离开的序号 ReleaseMutex(hSemaphoreSeats); //释放信号量使其它顾客可以到达窗口接受服务 CloseHandle(PublicSevice3); } } DWORDWINAPIPrivateSevice1(LPVOIDlpParameter) { while (1) { if(PrivateCustomers<=1) { cout<<"对私窗口1空闲! \n"; } /*开始对私服务PV操作*/ WaitForSingleObject(hSemaphorePrivateCustomers,INFINITE); //检查有没有顾客等待服务,有则继续 WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE); //进入等待室时不允许其他顾客进入 WaitForSingleObject(PrivateSevice1,INFINITE); //开始服务 Rele
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