操作系统 实验 五 线程间的互斥与同步.doc

实验 五 线程间的互斥与同步实验学时：2学时实验类型：验证、设计型一、实验目的 理解POSIX线程（Pthread）互斥锁和POSIX信号量机制，学习它们的使用方法；编写程序，实现多个POSIX线程的同步控制。二，实验内容 创建4个POSIX线程。其中2个线程(A和B)分别从2个数据文件(data1.txt和data2.txt)读取10个整数. 线程A和B把从文件中读取的逐一整数放入一个缓冲池. 缓冲池由n个缓冲区构成（n=5，并可以方便地调整为其他值），每个缓冲区可以存放一个整数。另外2个线程，C和D，各从缓冲池读取10数据。线程C、D每读出2个数据，分别求出它们的和或乘积，并打印输出。提示：在创建4个线程当中，A和B是生产者，负责从文件读取数据到公共的缓冲区，C和D是消费者，从缓冲区读取数据然后作不同的计算（加和乘运算）。使用互斥锁和信号量控制这些线程的同步。不限制线程C和D从缓冲区得到的数据来自哪个文件。在开始设计和实现之前，务必认真阅读课本6.8.4节和第6章后面的编程项目生产者-消费者问题。 三，实验要求按照要求编写程序，放在相应的目录中，编译成功后执行，并按照要求分析执行结果，并写出实验报告。四，实验设计1，功能设计根据实验要求，主程序需要创建四个线程，两个线程负责从文件读取数据到缓冲区，两个线程负责将缓冲区的数据做数学运算。由于同一个进程中的各个线程共享资源，可以用一个二维数组的全局变量作为公共缓冲区，同时还需要一个整形全局变量size用来做数组的索引。读线程的运行函数打开不同的文件并从中读取数据到二维数组中，每次写入数组后size加一。运算线程从二维数组中读数并做运算，每次读数之前size减一。本题的关键在于如何使用信号量保证进程的同步与互斥。在运算线程从缓冲区读取之前缓冲区里必须有数，即任意时刻运算操作的执行次数必须小于等于读取操作的执行次数。同时应该保证两个读线程和两个运算线程两两互斥。由于以上分析，使用了四个信号量sem1，sem2，sem3和sem4。sem1保证线程1和线程2互斥，sem2保证线程3和线程4互斥，sem3保证线程3和线程4互斥，sem4保证线程4和线程1互斥。即这四个信号量使四个线程循环进行，从而保证了运行结果的正确性。源代码及注释：#include #include #include #define NUM 200int stackNUM2;/公共缓冲区int size=0;/初始化数组索引sem_t sem1,sem2,sem3,sem4;/定义四个信号量void read1(void)/线程运行函数，负责从文件读取数据FILE *fp=fopen(data0.txt,r);/以只读方式打开文件data1while(!feof(fp)sem_wait(&sem1);/减少信号量sem1if(!fscanf(fp,%d %d,&stacksize0,&stacksize1)return;size+;/读两个数到公共缓冲区sem_post(&sem2);/增加信号量sem2fclose(fp);/关闭文件void read2(void)/线程运行函数，负责从文件读取数据FILE *fp=fopen(data1.txt,r);/以只读方式打开文件data2while(!feof(fp)sem_wait(&sem2);/减少信号量sem2if(!fscanf(fp,%d %d,&stacksize0,&stacksize1)return;size+;/读两个数到公共缓冲区sem_post(&sem3);/增加信号量sem3fclose(fp);void plus1(void)/线程运行函数，负责加运算while(1)sem_wait(&sem3);/减少信号量sem3if(size=0)return;size-;printf(Plus:%d+%d=%dn,stacksize0,stacksize1,stacksize0+stacksize1);/从公共缓冲区取数并进行加运算sem_post(&sem4);/增加信号量sem3void multi2(void)/线程运行函数，负责乘运算while(1)sem_wait(&sem4);/减少信号量sem4if(size=0)return;size-;printf(Multiply:%d*%d=%dn,stacksize0,stacksize1,stacksize0*stacksize1);/从公共缓冲区取数并进行乘运算sem_post(&sem1);/增加信号量sem3int main(void)pthread_t t1,t2,t3,t4;/定义线程标识符sem_init(&sem1,0,1);/初始化信号量sem_init(&sem2,0,0);sem_init(&sem3,0,0);sem_init(&sem4,0,0);pthread_create(&t1,NULL,(void *)read1,NULL);/创建线程，绑定线程运行函数pthread_create(&t2,NULL,(void *)read2,NULL);pthread_create(&t3,NULL,(void *)plus1,NULL);pthread_create(&t4,NULL,(void *)multi2,NULL);pthread_join(t1,NULL);/等待线程运行结束2，数据结构信号量(semaphore):数据类型为结构 sem_t，本质上是一个长整型的数。公共缓冲区(stack):采用2维数组的方式实现(stackNUM2)。数组中的两列分别存储两个文件中的数据。该2维数组还有一个索引：size，指向2维数组的顶部。五，实验测试结果及分析实验截图：如图所示，加线程和乘线程从缓冲区读取数据，进行运算，并将运算结果输出。六，收获及体会在本次实验中，我学习了UNIX 类操作系统信号量机制，掌握了编写Linux 环境下利用信号量实现进程控制的方法及相关系统调用的使用方法。在编译的时候也遇到了一些问题，在读取时data0和data1时出