linux下利用互斥实现线程访问共享资源(含源文件) (2)

1、“计算机操作系统”课程设计大作业一、实验题目: linux下利用互斥实现线程访问共享资源二、实验目的：掌握线程创建和终止，加深对线程和进程概念的理解，会用同步与互斥方法实现线程之间的通信。三、实验内容事先了解操作系统中经典的生产者-消费者问题，安装linux虚拟机(可以用virtualbox或者vmware软件)。在linux下创建三个生产者线程（P1，P2，P3）和一个消费者线程（C1），生产者和消费者线程共享一个长度为2KB的环型公共缓冲区，生产者向缓冲区写入消息，消费者从缓冲区中取走消息显示到屏幕。只要缓冲区未满，生产者可将消息送入缓冲区；只要缓冲区未空，消费者可从缓冲区取走一个消息。每

2、个消息具下列结构格式:消息长度（1个字节），消息内容（n个字节）。每个生产者每隔2秒生产一个消息加入缓冲区，并把消息产生时间和内容记录在一个文本文件中。P1每次生产的数据为26个大写字母， P2每次生产的数据为26个小写字母，P3每次生产的数据为10个阿拉伯数字。消费者C1每隔3秒读取缓冲区中的一个消息并将消息内容显示到屏幕上。用两种方法（不采线程用互斥和采用线程互斥技术）编写上述功能的程序，对比两种程序运行结果有何区别？不采线程用互斥时存在什么问题？备注：编程中用到的函数创建线程函数：pthread_create互斥锁初始化：pthread_mutex_init互斥锁加锁：pthread_m

3、utex_lock互斥锁解锁：pthread_mutex_unlock四、实验要求：每人完成一份大作业实验报告。报告分设计思想、数据定义、处理流程、源程序、运行结果截图、设计体会等部分。1） 给出数据定义和详细说明；2） 给出实现思想和设计流程；3） 调试完成源程序；4） 屏幕观察运行结果；5） 总结自己的设计体会；编程语言及操作系统平台不限。五、提交内容本大作业每个人必须单独完成。最后需提交的内容包括：源程序（关键代码需要注释说明）、可运行程序、算法思路及流程图、心得体会。大作业必须以WORD附件的形式提交。大作业严禁抄袭。发现抄袭一律以不及格论。大作业内容要完整，一定要有算法思路、流程图、

4、心得体会、运行输出信息截屏等内容，如果只提交源代码则大作业成绩记为不合格。 2016-10-20linux下利用互斥实现线程访问共享资源一、原理的理解生产者-消费者问题是一个经典的线程同步问题，该问题最早由Dijkstra提出，用以演示他提出的信号量机制。在同一个线程地址空间内执行的两个线程。生产者线程生产物品，然后将物品放置在一个空缓冲区中供消费者线程消费。消费者线程从缓冲区中获得物品，然后释放缓冲区。当生产者线程生产物品时，如果没有空缓冲区可用，那么生产者线程必须等待消费者线程释放出一个空缓冲区。当消费者线程消费物品时，如果没有满的缓冲区，那么消费者线程将被阻塞，直到新的物品被生产出来。多

5、个生产/消费者在有界缓冲上操作。它利用N个字节的共享内存作为有界循环缓冲区，利用写一字符模拟放一个产品，利用读一字符模拟消费一个产品。当缓冲区空时消费者应阻塞睡眠，而当缓冲区满时生产者应当阻塞睡眠。一旦缓冲区中有空单元，生产者线程就向空单元中入写字符,并报告写的内容和位置。一旦缓冲区中有未读过的字符，消费者线程就从该单元中读出字符，并报告读取位置。生产者不能向同一单元中连续写两次以上相同的字符，消费者也不能从同一单元中连续读两次以上相同的字符。二、完成步骤1、思路分析本作业是完善课件上的线程综合实例的练习生产者-消费者问题，重构这个程序的框架，完成性能分析，使之进一步理解掌握Linux下线程的

6、同步、通信以及互斥和多线程的安全问题。一般情况下，解决互斥方法常用信号量和互斥锁，即semaphore和mutex，而解决这个问题，多采用一个类似资源槽的结构，每个槽位标示了指向资源的指针以及该槽位的状态，生产者和消费者互斥查询资源槽，判断是否有产品或者有空位可以生产，然后根据指针进行相应的操作。同时，为了告诉生产者或者消费者资源槽的情况，还要有一个消息传送机制，无论是管道还是线程通信。然而，本次试验有几个特殊的要求：A、循环缓冲。B、除了stderr,stdout等外，只用小于2个的互斥锁、C、放弃资源槽分配机制，采用额外的数据结构。D、生产者一直持续生产，形成生产消费的良性循环。首先，使用

7、一个互斥锁，意味着资源槽机制就不能使用了。因为资源槽虽以用一个互斥锁完成，但是需要有额外的通信，如果使用管道通信，则管道也必须是互斥，这就不满足1个互斥锁的要求。其次，要求生产者一直生产，这就否定了另外一种方法：消费者、生产者的位置均平等，消费者消费的时候生产者不能生产，生产者生产的时候消费者不能消费。因此，就需要采用A要求，也就是循环链表的形式。为了保证互斥要求，需要定义一个数据结构，这个数据结构包含两个指针，一个读一个写，同时有一个资源数目量，告诉生产者和消费者是否可以生产或者消费。由于该数据结构很小，因而可以对此结构互斥访问。同时，对于每组数据，都有一个标志位，表示此组数据是否被占用，生

8、产者和消费者均可以先占用此位置然后完成相应的操作。当消费者互斥访问此结构时，首先判断是否有数据可以取，如果没有，直接等待，若有数据可取，先更改标志位占用此数据，并将资源数目-1。然后交出互斥，把数据拷贝到自己缓冲区内，清空数据。当生产者访问时，首先判断有没有空位可以生产，如果没有，直接等待，若有数据可以生产，先判断该位是否被占用，如果没被占用，则占用此位置进行生产。生产完成后，将占用位改为未占用，同时将资源数目+1。这个过程可以如图所示：2、重要函数和数据结构(1)数据结构#define N 5 / 生产者的数目 #define N2 15 / 消费者数目 #define M 20 / 缓冲数

9、目#define debug 0 /调试模式#define nowait 1 /是否添加额外等待pthread_mutex_t mutex; / 互斥信号量int prod_id = 0; /生产者idint proc_id = 0; /消费者id/成功以及失败次数计数int SuccN+N2;int FailN+N2;/用于生产的填充数据char dt30=aaaaaaaaaabbbbbbbbbbcccccccccc;int toexit=0;/退出标记/共用数据区struct data_strucint Occupied; /该位置是否被占用 无论生产还是消费char d1024; /数据

10、struct data_struc* nx; /下一个指针;/互斥量struct mtxstruct data_struc* rd_p;struct data_struc* wr_p;int cnt; /产品数量;struct mtx *mymutex;(2)函数说明void printinfo();/调试函数，打印公用数据区的内容和状态void Create_Empty_DS();/初始化循环链表void *buy();/消费者void *sell();/生产者void *Recount();/数据统计，同时控制程序自动退出3、程序流程图A、主函数B、统计线程C、生产者线程D、消费者线程三、

11、实验数据1、程序运行截图虚拟机：VMware Workstation7.0，win7；硬件：i3，2G DDR1333；编译：gcc product.c pg lpthread；报告生成：gprof b。运行时截图：CPU占用情况（无额外等待）：2、原始数据由于程序要求使用gprof进行分析，而在机器配置较好的情况下，使用gprof可能分析不出每个函数执行时间，甚至连函数都分析不全，因而在实际代码中添加了一些空循环来增加cpu占用。为了更便于观察，首先假设如下场景：消费者、生产者在执行各自动作前，均usleep(1)，同时，消费者在成功消费之后，也会usleep(3)来为其他消费者让位。同时，

12、也将测试没有任何等待的数据。程序内有一计时线程，每个一秒会显示一次生产消费情况，当60秒后程序自动退出，从而保存数据已被分析。生产者数量1消费者数量1缓冲长度20额外等待有CPU占用97%函数分析情况 % cumulative self self total time seconds seconds calls Ts/call Ts/call name 54.59 2.08 2.08 buy 45.41 3.81 1.73 sell 0.00 3.81 0.00 1 0.00 0.00 Create_Empty_DSCall graphgranularity: each sample hit

13、covers 4 byte(s) for 0.26% of 3.81 secondsindex % time self children called name 1 54.6 2.08 0.00 buy 1- 2 45.4 1.73 0.00 sell 2- 0.00 0.00 1/1 main 83 0.0 0.00 0.00 1 Create_Empty_DS 3-Index by function name 3 Create_Empty_DS 1 buy 2 sell程序运行情况生产者： #1 成功次数：21260 失败次数：1146117485消费者： #1 成功次数：21240 失败

14、次数：1151177763生产者数量1消费者数量5缓冲长度20额外等待有CPU占用97%函数分析情况 % cumulative self self total time seconds seconds calls Ts/call Ts/call name 85.29 2.90 2.90 buy 14.71 3.40 0.50 sell 0.00 3.40 0.00 1 0.00 0.00 Create_Empty_DSCall graphgranularity: each sample hit covers 4 byte(s) for 0.29% of 3.40 secondsindex %

15、time self children called name 1 85.3 2.90 0.00 buy 1- 2 14.7 0.50 0.00 sell 2- 0.00 0.00 1/1 main 83 0.0 0.00 0.00 1 Create_Empty_DS 3-Index by function name 3 Create_Empty_DS 1 buy 2 sell程序运行情况生产者： #1 成功次数：10800 失败次数：362944304消费者： #1 成功次数：1980 失败次数：368988095消费者： #5 成功次数：2560 失败次数：391801113生产者数量3消费

16、者数量10缓冲长度20额外等待有CPU占用约4%函数分析情况 % cumulative self self total time seconds seconds calls Ts/call Ts/call name 94.08 1.59 1.59 sell 5.92 1.69 0.10 buy 0.00 1.69 0.00 1 0.00 0.00 Create_Empty_DSCall graphgranularity: each sample hit covers 4 byte(s) for 0.59% of 1.69 secondsindex % time self children ca

17、lled name 1 94.1 1.59 0.00 sell 1- 2 5.9 0.10 0.00 buy 2- 0.00 0.00 1/1 main 83 0.0 0.00 0.00 1 Create_Empty_DS 3-Index by function name 3 Create_Empty_DS 2 buy 1 sell程序运行情况生产者： #1 成功次数：161677 失败次数：0生产者： #2 成功次数：161412 失败次数：0生产者： #3 成功次数：161535 失败次数：0消费者： #1 成功次数：44264 失败次数：75030消费者： #2 成功次数：47878 失

18、败次数：67808消费者： #3 成功次数：47805 失败次数：67967消费者： #10 成功次数：45942 失败次数：71664生产者数量3消费者数量10缓冲长度20额外等待无CPU占用97%函数分析情况 % cumulative self self total time seconds seconds calls Ts/call Ts/call name 77.28 2.96 2.96 buy 22.72 3.83 0.87 sell 0.00 3.83 0.00 1 0.00 0.00 Create_Empty_DSCall graphgranularity: each sampl

19、e hit covers 4 byte(s) for 0.26% of 3.83 secondsindex % time self children called name 1 77.3 2.96 0.00 buy 1- 2 22.7 0.87 0.00 sell 2- 0.00 0.00 1/1 main 83 0.0 0.00 0.00 1 Create_Empty_DS 3-Index by function name 3 Create_Empty_DS 1 buy 2 sell程序运行情况生产者： #1 成功次数：4640 失败次数：174184091生产者： #2 成功次数：4000

20、 失败次数：179724333生产者： #3 成功次数：4120 失败次数：170018676消费者： #1 成功次数：1280 失败次数：182205853消费者： #2 成功次数：1340 失败次数：173044281.消费者： #9 成功次数：1020 失败次数：166877134消费者： #10 成功次数：1380 失败次数：164803475生产者数量5消费者数量20缓冲长度40额外等待有CPU占用约9%函数分析情况 % cumulative self self total time seconds seconds calls Ts/call Ts/call name 96.37 4

21、.25 4.25 sell 3.63 4.41 0.16 buy 0.00 4.41 0.00 1 0.00 0.00 Create_Empty_DSCall graphgranularity: each sample hit covers 4 byte(s) for 0.23% of 4.41 secondsindex % time self children called name 1 96.4 4.25 0.00 sell 1- 2 3.6 0.16 0.00 buy 2- 0.00 0.00 1/1 main 83 0.0 0.00 0.00 1 Create_Empty_DS 3-I

22、ndex by function name 3 Create_Empty_DS 2 buy 1 sell程序运行情况生产者： #1 成功次数：139689 失败次数：0生产者： #2 成功次数：139235 失败次数：0.生产者： #5 成功次数：137801 失败次数：0消费者： #1 成功次数：25922 失败次数：96488消费者： #2 成功次数：39009 失败次数：70402消费者： #3 成功次数：39645 失败次数：69154.消费者： #20 成功次数：33775 失败次数：80811生产者数量5消费者数量20缓冲长度40额外等待无CPU占用97%函数分析情况 % cumu

23、lative self self total time seconds seconds calls Ts/call Ts/call name 80.29 2.81 2.81 buy 19.71 3.50 0.69 sell 0.00 3.50 0.00 1 0.00 0.00 Create_Empty_DSCall graphgranularity: each sample hit covers 4 byte(s) for 0.29% of 3.50 secondsindex % time self children called name 1 80.3 2.81 0.00 buy 1- 2

24、19.7 0.69 0.00 sell 2- 0.00 0.00 1/1 main 83 0.0 0.00 0.00 1 Create_Empty_DS 3-Index by function name 3 Create_Empty_DS 1 buy 2 sell程序运行情况生产者： #1 成功次数：4120 失败次数：81703999.生产者： #5 成功次数：4200 失败次数：91874644消费者： #1 成功次数：1080 失败次数：83483253消费者： #2 成功次数：1240 失败次数：85970149消费者： #3 成功次数：1360 失败次数：106265813消费者：

25、#4 成功次数：960 失败次数：82522392消费者： #5 成功次数：1360 失败次数：93462020消费者： #6 成功次数：1160 失败次数：91337608消费者： #7 成功次数：1520 失败次数：102954859消费者： #8 成功次数：1080 失败次数：91363902消费者： #9 成功次数：760 失败次数：105319175消费者： #10 成功次数：1320 失败次数：102144117消费者： #11 成功次数：720 失败次数：90933552消费者： #12 成功次数：1120 失败次数：90537228消费者： #13 成功次数：920 失败次数：

26、90670465消费者： #14 成功次数：840 失败次数：109153419消费者： #15 成功次数：1320 失败次数：91949204消费者： #16 成功次数：960 失败次数：80094023消费者： #17 成功次数：1120 失败次数：81866777消费者： #18 成功次数：1000 失败次数：87802980消费者： #19 成功次数：800 失败次数：79470741消费者： #20 成功次数：960 失败次数：93098801生产者数量30消费者数量100缓冲长度200额外等待有CPU占用26%函数分析情况 % cumulative self self total

27、time seconds seconds calls Ts/call Ts/call name 79.17 10.49 10.49 sell 20.83 13.25 2.76 buy 0.00 13.25 0.00 1 0.00 0.00 Create_Empty_DSCall graphgranularity: each sample hit covers 4 byte(s) for 0.08% of 13.25 secondsindex % time self children called name 1 79.2 10.49 0.00 sell 1- 2 20.8 2.76 0.00 b

28、uy 2- 0.00 0.00 1/1 main 83 0.0 0.00 0.00 1 Create_Empty_DS 3-Index by function name 3 Create_Empty_DS 2 buy 1 sell程序运行情况生产者： #1 成功次数：24555 失败次数：0生产者： #2 成功次数：24423 失败次数：0生产者： #3 成功次数：24529 失败次数：0生产者： #4 成功次数：24428 失败次数：0.生产者： #8 成功次数：24552 失败次数：0生产者： #9 成功次数：24467 失败次数：0生产者： #10 成功次数：24612 失败次数：0.生

29、产者： #29 成功次数：24439 失败次数：0生产者： #30 成功次数：24723 失败次数：0消费者： #1 成功次数：7351 失败次数：16473消费者： #2 成功次数：6408 失败次数：18192消费者： #3 成功次数：6725 失败次数：17620.消费者： #8 成功次数：7830 失败次数：15630消费者： #9 成功次数：7264 失败次数：16677消费者： #97 成功次数：6628 失败次数：17780消费者： #98 成功次数：7200 失败次数：16692消费者： #99 成功次数：6921 失败次数：17335消费者： #100 成功次数：7433 失

30、败次数：16319生产者数量30消费者数量100缓冲长度200额外等待无CPU占用97%函数分析情况 % cumulative self self total time seconds seconds calls Ts/call Ts/call name 78.77 2.82 2.82 buy 21.23 3.58 0.76 sell 0.00 3.58 0.00 1 0.00 0.00 Create_Empty_DSCall graphgranularity: each sample hit covers 4 byte(s) for 0.28% of 3.58 secondsindex %

31、time self children called name 1 78.8 2.82 0.00 buy 1- 2 21.2 0.76 0.00 sell 2- 0.00 0.00 1/1 main 83 0.0 0.00 0.00 1 Create_Empty_DS 3-Index by function name 3 Create_Empty_DS 1 buy 2 sell程序运行情况生产者： #1 成功次数：3600 失败次数：10645017生产者： #2 成功次数：4000 失败次数：16728291生产者： #3 成功次数：3200 失败次数：17111918生产者： #4 成功次数

32、：3400 失败次数：10212130生产者： #17 成功次数：1400 失败次数：15370944生产者： #18 成功次数：2200 失败次数：21377626生产者： #19 成功次数：2600 失败次数：11692857生产者： #20 成功次数：3800 失败次数：16007285生产者： #21 成功次数：2200 失败次数：14244794生产者： #22 成功次数：3600 失败次数：22401337.生产者： #29 成功次数：4000 失败次数：18425015生产者： #30 成功次数：4800 失败次数：25033822消费者： #1 成功次数：1800 失败次数：1

33、2785639消费者： #2 成功次数：2800 失败次数：16116393消费者： #3 成功次数：2400 失败次数：10309678消费者： #4 成功次数：800 失败次数：24464415消费者： #52 成功次数：0 失败次数：13483907消费者： #53 成功次数：0 失败次数：20152736消费者： #54 成功次数：0 失败次数：14236228消费者： #55 成功次数：800 失败次数：21535076消费者： #56 成功次数：400 失败次数：18554678消费者： #57 成功次数：200 失败次数：20539844消费者： #58 成功次数：800 失败次

34、数：12377087.消费者： #94 成功次数：1600 失败次数：14401603消费者： #95 成功次数：2000 失败次数：24301257消费者： #96 成功次数：1800 失败次数：15476220消费者： #97 成功次数：2600 失败次数：17645168消费者： #98 成功次数：1000 失败次数：15002154消费者： #99 成功次数：200 失败次数：14299381消费者： #100 成功次数：1600 失败次数：21723729生产者数量50消费者数量200缓冲长度500额外等待有CPU占用97%函数分析情况 % cumulative self self total time seconds seconds calls Ts/call Ts/call name 98.61 50.26 50.26 sell 1.3