实验二-多线程应用程序设计

成绩信息与通信工程学院实验报告课程名称：嵌入式系统原理与应用实验题目：多线程应用程序设计 指导教师： 班级： 学号： 学生姓名： 一、 实验目的和任务1. 掌握VI编译环境。2. 掌握GCC编译命令。3. 掌握多个文件共同编译方法。4. 掌握GDB调试命令。5. 了解多线程程序设计的基本原理。6. 学习 pthread 库函数的使用。二、 实验设备7. 硬件：PC机8. 软件：LINUX操作系统、虚拟机三、 实验内容及原理1. 在VI编辑器里编写两个文件（其中一个为主程序，实现显示“hello，linux world，I am XXX XXX”，一个为子程序，实现1n的乘法），为其书写头文件，共同编译为可执行文件，执行，观察运行结果。学习书写MAKEFILE文件，编译，执行，观察结果。利用GCC 编译（加参数-g）为可执行文件，利用GDB调试，学习GDB调试命令。2. 编写多线程程序设计。编译并运行，观察结果。（可参照课件或实验指导书）四、 实验步骤或程序流程1. Gcc编译实验1) 编写实验代码:图3.1实验主程序图3.2实验子程序2) 编写Makefile文件：图3.3 Makefile文件3) Make执行Makefile文件，生成可执行程序并运行：图3.4 执行4) Gdb调试运行：图3.5 gdb调试显示代码图3.6 gdb调试断点运行图3.7 gdb调试逐步运行2. 多线程程序设计：1) 对实验代码进行gcc编译：图3.7gcc编译生成可执行文件2) 运行结果：图3.8程序运行结果五、 实验数据及程序代码1. Gcc编译实验：1) 主程序：#include stdio.h#include my2.hint main()printf(hello.Linux world.I am zzmn);my2();2) 实验子程序:#include my2.h#include stdio.hvoid my2()int i=1;float s=1int N;printf(Please input n:n);scanf(%d,&N);for(i,i=n,i+)s*=i;printf(result:);printf(%f,s);3) .h头文件：#ifndef _MY2_H#define _MY2_Hint main();void my2();#endif 4) makefile执行文件：zzmgo: my2.o my1.o gcc -o zzmgo my2.o my1.o my1.o: my1.c my2.h gcc -c my1.c my2.o:my2.c my2.h gcc -c my2.c clean：rm -rf my1.o my2.o zzmgo1. 多线程程序设计：#include #include #include #include pthread.h#define BUFFER_SIZE 16/* Circular buffer of integers. */struct prodcons int bufferBUFFER_SIZE; /* the actual data */ pthread_mutex_t lock; /* mutex ensuring exclusive access to buffer */ int readpos, writepos; /* positions for reading and writing */ pthread_cond_t notempty; /* signaled when buffer is not empty */ pthread_cond_t notfull; /* signaled when buffer is not full */;/*-*/* Initialize a buffer */void init(struct prodcons * b) pthread_mutex_init(&b-lock, NULL); pthread_cond_init(&b-notempty, NULL); pthread_cond_init(&b-notfull, NULL); b-readpos = 0; b-writepos = 0;/*-*/* Store an integer in the buffer */void put(struct prodcons * b, int data)pthread_mutex_lock(&b-lock); /* Wait until buffer is not full */ while (b-writepos + 1) % BUFFER_SIZE = b-readpos) printf(wait for not fulln); pthread_cond_wait(&b-notfull, &b-lock); /* Write the data and advance write pointer */ b-bufferb-writepos = data; b-writepos+; if (b-writepos = BUFFER_SIZE) b-writepos = 0; /* Signal that the buffer is now not empty */ pthread_cond_signal(&b-notempty);pthread_mutex_unlock(&b-lock);/*-*/* Read and remove an integer from the buffer */int get(struct prodcons * b) int data;pthread_mutex_lock(&b-lock); /* Wait until buffer is not empty */ while (b-writepos = b-readpos) printf(wait for not emptyn);pthread_cond_wait(&b-notempty, &b-lock); /* Read the data and advance read pointer */ data = b-bufferb-readpos; b-readpos+; if (b-readpos = BUFFER_SIZE) b-readpos = 0; /* Signal that the buffer is now not full */ pthread_cond_signal(&b-notfull); pthread_mutex_unlock(&b-lock); return data;/*-*/#define OVER (-1)struct prodcons buffer;/*-*/void * producer(void * data) int n; for (n = 0; n %dn, n); put(&buffer, n); put(&buffer, OVER); printf(producer stopped!n); return NULL;/*-*/void * consumer(void * data) int d; while (1) d = get(&buffer); if (d = OVER ) break; printf( %d-getn, d); printf(consumer stopped!n); return NULL;/*-*/int main(void) pthread_t th_a, th_b; void * retval; init(&buffer); pthread_create(&th_a, NULL, producer, 0); pthread_create(&th_b, NULL, consumer, 0); /* Wait until producer and consumer finish. */ pthread_join(th_a, &retval); pthread_join(th_b, &retval); return 0;六、 实验数据分析及处理1. 实验结构流程图：本实验为著名的生产者消费者问题模型的实现，主程序中分别启动生产者线程和消费者线程。生产者线程不断顺序地将 0 到 1000 的数字写入共享的循环缓冲区，同时消费者线程不断地从共享的循环缓冲区读取数据。流程图如图所示:图6.1 生产者-消费者实验源代码结构流程图2. 主要函数分析：下面我们来看一下，生产者写入缓冲区和消费者从缓冲区读数的具体流程，生产者首先要获得互斥锁，并且判断写指针+1 后是否等于读指针，如果相等则进入等待状态，等候条件变量 notfull；如果不等则向缓冲区中写一个整数，并且设置条件变量为 notempty，最后释放互斥锁。消费者线程与生产者线程类似，这里就不再过多介绍了。流程图如下：图6.2 生产消费流程图3. 主要的多线程API：在本程序的代码中大量的使用了线程函数，如 pthread_cond_signal、pthread_mutex_init、pthread_mutex_lock 等等，这些函数的作用是什么，在哪里定义的，我们将在下面的内容中为其中比较重要的函数做一些详细的说明。1) pthread_create 线程创建函数：int pthread_create (pthread_t * thread_id,_const pthread_attr_t * _attr,void *(*_start_routine) (void *),void *_restrict _arg)线程创建函数第一个参数为指向线程标识符的指针，第二个参数用来设置线程属性，第三个参数是线程运行函数的起始地址，最后一个参数是运行函数的参数。这里，我们的函数thread 不需要参数，所以最后一个参数设为空指针。第二个参数我们也设为空指针，这样将生成默认属性的线程。当创建线程成功时，函数返回 0，若不为 0 则说明创建线程失败，常见的错误返回代码为 EAGAIN 和 EINVAL。前者表示系统限制创建新的线程，例如线程数目过多了；后者表示第二个参数代表的线程属性值非法。创建线程成功后，新创建的线程则运行参数三和参数四确定的函数，原来的线程则继续运行下一行代码。2) pthread_join 函数 用来等待一个线程的结束。函数原型为：int pthread_join (pthread_t _th, void *_thread_return)第一个参数为被等待的线程标识符，第二个参数为一个用户定义的指针，它可以用来存储被等待线程的返回值。这个函数是一个线程阻塞的函数，调用它的函数将一直等待到被等待的线程结束为止，当函数返回时，被等待线程的资源被收回。3) pthread_exit 函数：一个线程的结束有两种途径，一种是象我们上面的例子一样，函数结束了，调用它的线程也就结束了；另一种方式是通过函数 pthread_exit 来实现。它的函数原型为：void pthread_exit (void *_retval)唯一的参数是函数的返回代码，只要 pthread_join 中的第二个参数 thread_return 不是NULL，这个值将被传递给 thread_return。最后要说明的是，一个线程不能被多个线程等待，否则第一个接收到信号的线程成功返回，其余调用 pthread_join 的线程则返回错误代码 ESRCH。下面我们来介绍有关条件变量的内容。使用互斥锁来可实现线程间数据的共享和通信，互斥锁一个明显的缺点是它只有两种状态：锁