进程同步与互斥.docx
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进程同步与互斥
实验四进程同步与互斥
一、实验目的
1.掌握基本的同步与互斥算法,理解生产者消费者模型。
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。
二、实验内容及要求
1.实验内容
以生产者/消费者模型为依据,在Windows2000环境下创建一个控制台进程,在该进程中创建n个线程模拟生产者和消费者,实现进程(线程)的同步与互斥。
2.实验要求
●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。
三、相关知识介绍
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。
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)。
这些对象在一个线程中创建,在其他线程中都可以使用,实现同步与互斥。
2.相关API的功能及使用
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)。
下面给出的是本实验使用到的API的功能和使用方法简单介绍。
(1)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)
(2)CreateMutex
●功能——创建一个命名或匿名的互斥量对象
●格式
HANDLECreateMutex(LPSECURITY_ATTRIBUTESlpMutexAttributes,
BOOLbInitialOwner,
LPCTSTRlpName);
●参数说明
lpMutexAttributes——必须取值NULL。
bInitialOwner——指示当前线程是否马上拥有该互斥量(即马上加锁)。
lpName——互斥量名称。
(3)CreateSemaphore
●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。
(4)WaitForSingleObject
●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)。
(5)ReleaseSemaphore
●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。
(6)ReleaseMutex
●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);
●参数说明
hMutex——互斥量指针。
(7)InitializeCriticalSection
●功能——初始化临界区对象
●格式
VOIDInitializeCriticalSection(LPCRITICAL_SECTIONlpCriticalSection);
●参数说明
lpCriticalSection——指向临界区对象的指针。
(8)EnterCriticalSection
●功能——等待指定临界区对象的所有权
●格式
VOIDenterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTIONlpCriticalSection);
●参数说明
lpCriticalSection——指向临界区对象的指针。
(9)LeaveCriticalSection
●功能——释放指定临界区对象的所有权
●格式
VOIDLeaveCriticalSection(LPCRITICAL_SECTIONlpCriticalSection);
●参数说明
lpCriticalSection——指向临界区对象的指针。
四、实验示例(方法、步骤与例程)
1.测试用例文件
测试用例文件用于描述各线程的有关信息,该文件内容及格式如下:
3
1P3
2P4
3C41
4P2
5C3124
说明:
第一行给出的是程序中设置的临界区个数;其余各行是各进程信息。
每行中的数据之间用Tab键分隔。
第一列(除第一行外):
线程号。
第二列:
P——生产者,C——消费者。
第三列:
线程在生产和消费前的休眠时间,单位为秒。
第四及以后各列:
消费的产品所对应的生产者线程号。
2.数据结构
(1)用整型数组Buffer_Critical表示缓冲区。
(2)用自定义结构ThreadInfo记录一条线程信息,多个线程对应一个ThreadInfo数组。
(3)通过如下同步对象实现互斥:
●设一个互斥量h-mutex,实现生产者在查询和保留缓冲区的下一个空位置时进行互斥。
●设置h_Semaphore[MAX_THREAD_NUM]信号量数组表示相应产品已经生产,实现生产者与消费者之间的同步。
同时,用表示空缓冲区树木的信号量empty_semephore指示是否存在空位置,实现类似的同步,以便开始下一个产品的生产。
●设置临界区对象数组PC_Critical[MAX_BUFFER_NUM]实现每个缓冲区上消费者之间的互斥。
3.程序结构
为了方便,程序结构用如下的文字予以描述。
(1)主函数
(2)初始化缓冲区、消费请求队列及部分同步对象
(3)提取线程信息
(4)完成线程相关同步对象的初始化
(5)创建线程,模拟生产者和消费者
(6)等待所有线程结束
(7)程序结束
(8)消费者
(9)有无消费请求?
有,则继续(10);无,则转(16)
(10)此请求可满足?
可满足,转(11);否,则阻塞,再转(10)
(11)确定产品位置
(12)此产品正被消费?
是,则阻塞,再转(12);否,则转(13)
(13)进入临界区(请求同一产品的消费者之间互斥)
(14)消费产品,并判断是否应该释放产品所占缓冲区
(15)退出临界区,转(9)
(16)结束消费者线程
(17)生产者
(18)存在空缓冲区?
有,则继续(19);无,则阻塞,再转(18)
(19)另一生产者在写?
否,则转(20);是,则阻塞,再转(19)
(20)进入临界区(请求同一产品的生产者之间互斥)
(21)在缓冲区中为本线程产品分配空间
(22)退出临界区
(23)写入产品到分配的缓冲区空间中
(24)结束生产者线程
五、参考程序如下:
#include
#include
#include
#include
#include
//定义一些常量
//本程序允许的最大临界区数
#defineMAX_BUFFER_NUM10
//秒到微秒的乘法因子
#defineINTE_PER_SEC1000
//本程序允许的生产和消费线程的总数
#defineMAX_THREAD_NUM64
//定义一个结构,记录在测试文件中指定的每一个线程的参数
structThreadInfo
{
intserial;//线程序列号
charentity;//是P还是C
doubledelay;//线程延迟
intthread_request[MAX_THREAD_NUM];//线程请求队列
intn_request;//请求个数
};
//全局变量的定义
//临界区对象的声明,用于管理缓冲区的互斥访问
CRITICAL_SECTIONPC_Critical[MAX_BUFFER_NUM];
intBuffer_Critical[MAX_BUFFER_NUM];//缓冲区声明,用于存放产品
HANDLEh_Thread[MAX_THREAD_NUM];//用于存储每个线程句柄的数组
ThreadInfoThread_Info[MAX_THREAD_NUM];//线程信息数组
HANDLEempty_semaphore;//一个信号量
HANDLEh_mutex;//一个互斥量
DWORDn_Thread=0;//实际的线程的数目
DWORDn_Buffer_or_Critical;//实际的缓冲区或者临界区的数目
HANDLEh_Semaphore[MAX_THREAD_NUM];//生产者允许消费者开始消费的信号量
//生产消费及辅助函数的声明
voidProduce(void*p);
voidConsume(void*p);
boolIfInOtherRequest(int);
intFindProducePosition();
intFindBufferPosition(int);
intmain(void)
{
//声明所需变量
DWORDwait_for_all;
ifstreaminFile;
//初始化缓冲区
for(inti=0;i Buffer_Critical[i]=-1; //初始化每个线程的请求队列 for(intj=0;j for(intk=0;k Thread_Info[j].thread_request[k]=-1; Thread_Info[j].n_request=0; } //初始化临界段对象 for(i=0;i InitializeCriticalSection(&PC_Critical[i]); //打开输入文件,按照规定的格式提取线程等信息 inFile.open("test.txt"); //从文件中获得实际的缓冲区的数目 inFile>>n_Buffer_or_Critical; inFile.get(); printf("输入文件是: \n"); //回显获得的缓冲区的数目信息 printf("%d\n",(int)n_Buffer_or_Critical); //提取每个线程的信息到相应数据结构中 while(inFile){ inFile>>Thread_Info[n_Thread].serial; inFile>>Thread_Info[n_Thread].entity; inFile>>Thread_Info[n_Thread].delay; charc; inFile.get(c); while(c! ='\n'&&! inFile.eof()){ inFile>> Thread_Info[n_Thread].thread_request[Thread_Info[n_Thread].n_request++]; inFile.get(c); } n_Thread++; } //回显获得的线程信息,便于确认正确性 for(j=0;j<(int)n_Thread;j++){ intTemp_serial=Thread_Info[j].serial; charTemp_entity=Thread_Info[j].entity; doubleTemp_delay=Thread_Info[j].delay; printf("\nthread%2d%c%f",Temp_serial,Temp_entity,Temp_delay); intTemp_request=Thread_Info[j].n_request; for(intk=0;k printf("%d",Thread_Info[j].thread_request[k]); cout< } printf("\n\n"); //创建在模拟过程中几个必要的信号量 empty_semaphore=CreateSemaphore(NULL,n_Buffer_or_Critical,n_Buffer_ or_Critical,"semaphore_for_empty"); h_mutex=CreateMutex(NULL,FALSE,"mutex_for_update"); //下面这个循环用线程的ID号来为相应生产线程的产品读写时所使用的同步信号量命名 for(j=0;j<(int)n_Thread;j++){ std: : stringlp="semaphore_for_produce_"; inttemp=j; while(temp){ charc=(char)(temp%10); lp+=c; temp/=10; } h_Semaphore[j+1]=CreateSemaphore(NULL,0,n_Thread,lp.c_str()); } //创建生产者和消费者线程 for(i=0;i<(int)n_Thread;i++){ if(Thread_Info[i].entity=='P') h_Thread[i]=CreatThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Produce), &(Thread_Info[i]),0,NULL) else h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Consume), &(Thread_Info[i]),0,NULL) } //主程序等待各个线程的动作结束 wait_for_all=WaitForMultipleObjects(n_Thread,h_Thread,TRUE,-1); printf("\n\nALLProducerandconsumerhavefinishedtheirwork.\n"); printf("Pressanykeytoquit! \n"); _getch(); return0; } //确认是否还有对同一产品的消费请求未执行 boolIfInOtherRequest(intreq) { for(inti=0;i for(intj=0;j if(Thread_Info[i].thread_request[j]==req) returnTRUE; returnFALSE; } //找出当前可以进行产品生产的空缓冲区位置 intFindProducePosition() { intEmptyPosition; for(inti=0;i if(Buffer_Critical[i]==-1){ EmptyPosition=i; //用下面这个特殊值表示本缓冲区正处于被写状态 Buffer_Critical[i]=-2; break; } returnEmptyPosition; } //找出当前所需生产者生产的产品的位置 intFindBufferPosition(intProPos) { intTempPos; for(inti=0;i if(Buffer_Critical[i]==ProPos){ TempPos=i; break; } returnTempPos; } //生产者进程 voidProduce(void*p) { //局部变量声明 DWORDwait_for_semaphore,wait_for_mutex,m_delay; intm_serial; //获得本线程的信息 m_serial=((ThreadInfo*)(p))->serial; m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay*INTE_PER_SEC); Sleep(m_delay); //开始请求生产 printf("Producer%2dsendstheproducerequire.\n",m_serial); //确认有空缓冲区可供生产,同时将空位置数empty减1;用于生产者和消费者的同步 wait_for_semaphore=WaitForSingleObject(empty_semaphore,-1); //互斥访问下一个可用于生产的空临界区,实现写写互斥 wait_for_mutex=WaitForSingleObject(h_mutex,-1); intProducePos=FindProducePosition(); ReleaseMutex(h_mutex); //生产者在获得自己的空位置并做上标记后,以下的写操作在生产者之间可以并发 //在核心生产步骤中,程序将生产者的ID作为产品编号放入,方便消费者识别 printf("Producer%2dbegintoproduceatposition%2d.\n",m_serial, ProducePos); Buffer_Critical[ProducePos]=m_serial; printf("Producer%2dfinishproducing: \n",m_serial); printf("position[%2d]: %3d\n",ProducePos,Buffer_Critical[Produce- Pos]); //使生产者写的缓冲区可以被多个消费者使用,实现读写同步 ReleaseSemaphore(h_Semaphore[m_serial],n_Thread,NULL); } //消费者进程 voidConsume(void*p) { //局部变量声明 DWORDwait_for_semaphore,m_delay; intm_serial,m_requestNum;//消费者的序列号和请求的数目 intm_thread_request[MAX_THREAD_NUM];//本消费线程的请求队列 //提取本线程的信息到本地 m_serial=((ThreadInfo*)(p))->serial; m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay*INTE_PER_SEC); m_requestNum=((ThreadInfo*)(p))->n_request; for(inti=0;i m_thread_request[i]=((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i]; Sleep(m_delay); //循环进行所需产品的消费 for(i=0;i //请求消费下一个产品 printf("Consumer%2drequesttoconsume%2dproduct\n",m_serial,m_ thread_request[i]); //如果对应生产者没有生产,则等待; //如果生产了,允许的消费者数目为-1;实现了读写同步 wait_for_semaphore=WaitForSingleObject(h_Semaphore[m_thread_request[i]],-1; //查询所需产品放到缓冲区的号 intBufferPos=FindBufferPosition(m_thread_request[i]); //开始进行具体缓冲区的消费处理,读和读在该缓冲区上仍然是互斥的 //进入临界区后执行消费动作;并在完成此次请求后,通知另外的消费者本处请求已经满足; //同时如果对应的产品使用完毕,就做相应处理;并给出相应动作的界面提示; //该相应处理指将相应缓冲区清空,并增加代表空缓冲区的信号量 EnterCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]); printf("Consumer%2dbegintoconsume%2dproduct\n",m_serial,m_thread_ request[i]); ((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i]=-1; if(! IfInOtherRequest(m_thread_request[i])){ Buffer_Critical[BufferPos]=-1
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- 关 键 词:
- 进程 同步