进程同步与互斥.doc

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Windows 2000/XP中基本的同步对象，掌握相关API的使用方法。3 了解Windows 2000/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Windows 2000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l 学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则；l 学习了解Windows同步对象及其特性；l 熟悉实验环境，掌握相关API的使用方法；l 设计程序，实现生产者/消费者进程(线程)的同步与互斥；l 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(Critical Section)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：l 创建/初始化同步对象。l 请求同步对象，进入临界区(互斥量上锁)。l 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Windows SDK提供的API编程实现实验题目要求，而VC中包含有Windows SDK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) CreateThreadl 功能创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程l 格式HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,DWORD dwStackSize,LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,LPVOID lpParamiter,DWORD dwCreationFlags,Lpdword lpThread );l 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) CreateMutexl 功能创建一个命名或匿名的互斥量对象l 格式HANDLE CreateMutex(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,BOOL bInitialOwner,LPCTSTR lpName);l 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) CreateSemaphorel 功能创建一个命名或匿名的信号量对象l 格式HANDLE CreateSemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, LONG lInitialCount, LONG lMaximumCount, LPCTSTR lpName );l 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) WaitForSingleObjectl 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l 格式DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle, DWORD dwMilliseconds);l 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) ReleaseSemaphorel 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l 格式BOOL ReleaseSemaphore(HANDLE hSemaphore,LONG lReleaseCount,LPLONG lppreviousCount );l 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) ReleaseMutexl 功能打开互斥锁，即把互斥量加1。成功调用则返回0l 格式BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex);l 参数说明hMutex互斥量指针。(7) InitializeCriticalSectionl 功能初始化临界区对象l 格式VOID InitializeCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);l 参数说明lpCriticalSection指向临界区对象的指针。(8) EnterCriticalSectionl 功能等待指定临界区对象的所有权l 格式VOID enterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);l 参数说明lpCriticalSection指向临界区对象的指针。(9) LeaveCriticalSectionl 功能释放指定临界区对象的所有权l 格式VOID LeaveCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);l 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：31 P 32 P 43 C 4 14 P 25 C 3 1 2 4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：l 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。l 设置h_SemaphoreMAX_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。l 设置临界区对象数组PC_CriticalMAX_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#define MAX_BUFFER_NUM 10/秒到微秒的乘法因子#define INTE_PER_SEC 1000/本程序允许的生产和消费线程的总数#define MAX_THREAD_NUM 64/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struct ThreadInfoint serial;/线程序列号char entity;/是P还是Cdouble delay;/线程延迟int thread_requestMAX_THREAD_NUM;/线程请求队列int n_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_SECTION PC_CriticalMAX_BUFFER_NUM;int Buffer_CriticalMAX_BUFFER_NUM;/缓冲区声明，用于存放产品HANDLE h_ThreadMAX_THREAD_NUM;/用于存储每个线程句柄的数组ThreadInfoThread_InfoMAX_THREAD_NUM;/线程信息数组HANDLE empty_semaphore;/一个信号量HANDLE h_mutex;/一个互斥量DWORD n_Thread=0;/实际的线程的数目DWORD n_Buffer_or_Critical;/实际的缓冲区或者临界区的数目HANDLE h_SemaphoreMAX_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void Produce(void*p);void Consume(void*p);bool IfInOtherRequest(int);int FindProducePosition();int FindBufferPosition(int);int main(void)/声明所需变量DWORD wait_for_all;ifstream inFile;/初始化缓冲区for(int i=0;iMAX_BUFFER_NUM;i+)Buffer_Criticali=-1;/初始化每个线程的请求队列for(int j=0;jMAX_THREAD_NUM;j+)for(int k=0;kMAX_THREAD_NUM;k+)Thread_Infoj.thread_requestk=-1;Thread_Infoj.n_request=0;/初始化临界段对象for(i=0;in_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(%dn,(int)n_Buffer_or_Critical);/提取每个线程的信息到相应数据结构中while(inFile)inFileThread_Infon_Thread.serial;inFileThread_Infon_Thread.entity;inFileThread_Infon_Thread.delay;char c;inFile.get(c);while(c!=n&!inFile.eof()inFileThread_Infon_Thread.thread_requestThread_Infon_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+)int Temp_serial=Thread_Infoj.serial;char Temp_entity=Thread_Infoj.entity;double Temp_delay=Thread_Infoj.delay;printf(nthread%2d%c%f,Temp_serial,Temp_entity,Temp_delay);int Temp_request=Thread_Infoj.n_request;for(intk=0;kTemp_request;k+)printf(%d,Thread_Infoj.thread_requestk);coutendl;printf(nn);/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_;int temp=j;while(temp)char c=(char)(temp%10);lp+=c;temp/=10;h_Semaphorej+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_Infoi.entity=P)h_Threadi=CreatThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Produce),&(Thread_Infoi),0,NULL)elseh_Threadi=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Consume),&(Thread_Infoi),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(nnALLProducerandconsumerhavefinishedtheirwork.n);printf(Pressanykeytoquit!n);_getch();return 0;/确认是否还有对同一产品的消费请求未执行bool IfInOtherRequest(intreq)for(int i=0;in_Thread;i+)for(int j=0;jThread_Infoi.n_request;j+)if(Thread_Infoi.thread_requestj=req)return TRUE;return FALSE;/找出当前可以进行产品生产的空缓冲区位置int FindProducePosition()int EmptyPosition;for(int i=0;in_Buffer_or_Critical;i+)if(Buffer_Criticali=-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_Criticali=-2;break;return EmptyPosition;/找出当前所需生产者生产的产品的位置int FindBufferPosition(intProPos)int TempPos;for(int i=0;iserial;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);int ProducePos=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_CriticalProducePos=m_serial;printf(Producer%2dfinishproducing:n,m_serial);printf(position%2d:%3dn,ProducePos,Buffer_CriticalProduce-Pos);/使生产者写