ARM多线程应用程序设计实验报告

1、开放性实验报告基于ARM勺多线程应用程序设计院系名称:电气工程学院专业班级:自动1302学生姓名:蒋贤坤学 号:201323020217指导教师:张晓东成绩:指导老师签名:系统概况 完成步骤2.1思路分析2.2结构流程图2.3重要函数2.3.1源程序2.3.2函数分析实验数据3.1下载和调试截图结果分析和总结设计心得参考文献11111215161系统概况生产者-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，

2、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

3、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。2完成步骤2.1思路分析本试验是练习生产者-消费者问题，成性能分析，使理解掌握线程的同步、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。为了保证互斥要求，需要定义一个数据结构，这个数据

4、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-1o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

5、占用，同时将资源数目+1 02.2结构流程图试验为生产者-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9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。试验流程图如下:初始化结构体pthread 中的各个参数建立生产者、消费 者线程等待线程结束退出图2-1结构流程图2.3重要函数2.3.1源程序试验代码:/*main e*/ #in elude "p roducer.h" #in elude "customer.h" #in elude "data.h" #in

6、 elude vp thread.h> #in elude <stdio.h> /*实现生产者线程生产数据放入一个单向链表中，消费者线程负责消费数据*int mai n()p threadthread_ pro;p threadthread_e ons;prin tf("create.n");创建生产者线程。pthread_ereate(&thread _p ro,NULL,(void *)p roducer,NULL);创建消费者线程。pthread_ereate(&thread_c on s,NULL,(void *)eustomer,

7、NULL);prin tf("fi ni shed!n");while(1)return 0;/*data h*/ #ifndef DATA_H_ #defi ne DATA_H_单向链表数据结构struct p roductstruct p roduct *pre_p roduct;char p roduct_data20;struct p roduct *n ext_ product;；/向单向链表中加入一个节点（生产）。void add Product(char *p roduct_data);从单向链表中取出全部节点信息（消费）。void consP roduct(

8、);#en dif /*data c*/ #in clude "data.h" #i nclude <stdio.h> #in clude <stdlib.h> #i nclude <stri ng.h> struct p roduct *p rese nt_p roduct=NULL;struct p roduct *pre_p roduct = NULL;in t lock=0;void add Product(char *p roduct_data)while(lock=1);lock=1;struct p roduct *new_

9、p roduct=malloc(sizeof(struct p roduct);if(p rese nt_p roduct=NULL)new_p roduct-> pre_p roduct=NULL;strc py( new_p roduct- >p roduct_data, product_data);new_p roduct- >n ext_ product=NULL;p rese nt_p roduct=new_p roduct;elsenew_p roduct- >pre_p roduct=p rese nt_p roduct;strc py( new_p ro

10、duct- >p roduct_data, product_data);new_p roduct-> next_ product=NULL;p rese nt_p roduct ->n ext_ product=new_p roduct;p rese nt_p roduct=new_p roduct;lock=0;void consP roduct()while(lock=1);lock=1;while( prese nt_p roduct!=NULL)pre_p roduct=p rese nt_p roduct-> pre_p roduct;prin tf(&quo

11、t;%sn",p rese nt_p roduct- >p roduct_data);if(pre_p roduct!=NULL)pre_p roduct ->n ext_ product=0;free( prese nt_p roduct);p rese nt_p roduct=pre_p roduct;lock=0;/*producer h*/ #ifndef P RODUCER_H_ #define PRODUCER H/生产者执行生产任务 void p roducer();#e ndif /* pr oducer c*/ #in clude "p rod

12、ucer.h" #in clude "data.h" #in clude <stdio.h>#i nclude <stri ng.h> #in elude <stdlib.h> int temp_i=O;void p roducer()char temp 20=0;while(1)sprintf(temp，”number%d",temp_i);add Product(te mp);temp_i+;uslee p(i nt)(ra nd()/2000);/*customerh*/ #ifndef CUSTOMER_H_

13、#define CUSTOMER H/消费者执行消费任务。void customer。;#en dif /*customer c*/ #in clude "customer.h" #in clude "data.h" #in clude <stdlib.h> #in clude <stdio.h> void customer()while(1)consP roduct();n");printf("uslee p(i nt)(ra nd()/1000);int main (i nt argc, char *arg

14、v)p threadp roducer_id;p thread_t con sumer_id;pthread_create(&p roducer_id, NULL, p roducer, NULL);void *p roducer(void *arg) pthread_detach( pthread_self();while(1)pthread_mutex_lock(&m utex);if (size = MALE_LENGTH)prin tf(" person:buff is full( producer)' n");p roducer_wait

15、= 1;p thread_c on d_wait(&full_co nd, & mutex);p roducer_wait = 0;rear = (rear + 1) % MALE_LENGTH;buffrear = ran d() % MALE_LENGTH;prin tf(" producer: %d: %dn", rear, buffrear);+size;if (size = 1)while (1)if (con sumer_wait)pthread_c on d_sig nal(&empty_con d);break;pthread_mut

16、ex_ un lock(&mutex);pthread_create(&con sumer_id, NULL, con sumer, NULL);void *con sumer(void *arg) pthread_detach( pthread_self();while(1)pthread_mutex_lock(&m utex);if(size = 0)prin tf(" person:buff is emp ty(c on sumer)n");con sumer_wait = 1;pthread_c on d_wait(&emp ty_c

17、o nd, & mutex);con sumer_wait = 0;prin tf("c on sumer:%d: %dn", front, bufffr on t);front = (front + 1) % MALE_LENGTH;-size;if (size = MALE_LENGTH-1)while(1)if(p roducer_wait)pthread_c on d_sig nal(&full_co nd);break;pthread_mutex_ un lock(&mutex);slee p(1);return 0;232函数分析生产者写

18、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，并且判断资源槽是否已满，如果资源槽已满则进入等待状态，等待信号full ；如果不满则向资源槽中写一个整数，并且释放信号为emp ty，最后释放互斥锁。消费者线程与生产者线程类似，流程图如下:获得互斥锁获得互斥锁V资源槽满资源槽满等待激活信号full cond等待激活信号empty cond写入数据读取数据激活消费者信号empty cond激活生产者信号full cond4释放互斥锁释放互斥锁1资源槽是否有 数据.r否”否X否”资源槽是否有IJ 数据图2-2生产消费流程图1）生产者写入共享的循环缓冲区入口函数首先我们需要线程分离，调

19、用 P thread_detach（即卩可，线程分离是不让其他线程等待，继续运行。在主循环中我们需要给资源槽上锁，不让消费者函数访问，然后判断资源槽是否满，若为满就解锁资源槽，然后等待消费者激活信号full _cond到来。若没满就增加一个数值给资源槽，然后判断资源槽是否有数据，若有就激活消费者信号empty_cond来消费。void *p roducer(void *arg) pthread_detach( pthread_self();while(1)pthread_mutex_lock(&m utex);if (size = MALE_LENGTH)prin tf("

20、person:buff is full( producer)' n");p roducer_wait = 1;p thread_c on d_wait(&full_co nd, & mutex);p roducer_wait = 0;rear = (rear + 1) % MALE_LENGTH;buffrear = ran d() % MALE_LENGTH;prin tf(" producer: %d: %dn", rear, buffrear);+size;if (size = 1)while (1)if (con sumer_wai

21、t)pthread_c on d_sig nal(&empty_con d);break;pthread_mutex_ un lock(&mutex);2）消费者读取共享的循环缓冲区函数 GET首先需要线程分离，调用P thread_detach（即可。在主循环中我们需要给资源槽上锁，不让生产者函数访问，然后判断资源槽是否满，若不满就解锁资源槽，然后等待消生产者激活信号empty _cond到来。若满就读取一个数值，然后判断资源槽是否有数据，若无就激活生产者信号full_cond来生产。void *con sumer(void *arg) pthread_detach( pth

22、read_self();while(1)pthread_mutex_lock(&m utex);if(size = 0)prin tf(" person:buff is emp ty(c on sumer)n");con sumer_wait = 1;pthread_c on d_wait(&emp ty_co nd, & mutex);con sumer_wait = 0;prin tf("co nsumer:%d: %dn", front, bufffro nt);front = (front + 1) % MALE_LENG

23、TH;-size;if (size = MALE_LENGTH-1)while(1)if(p roducer_wait)pthread_c on d_sig nal(&full_co nd);break;pthread_mutex_ un lock(&mutex);3实验数据3.1下载和调试截图首先进入目录 /mnt/hgfs/share/JXK，然后输入命令gcc xiankun-j.c -o xiankun-j.exe -lpthread编译代码，之后运行可执行文件./xiankun-j.exe,运行结果如图3.1所示。£|Centos CentO5:/mnt/h

24、gfs/share/JXK01； 5 1: 1 2: 03: 74: 75: 4e； 57： 48: 1g： 1交件(E)嘉辑(E)査看世)摟索线端任)諾助血) 蒋贤坤:buff IS fuU(producer) 蒋贤坤-J消费者；0： 9 蒋贤坤"消费者：1： 2 蒋贤坤前肖费者：2: 4 蒋贤坤肖费者汩：5 将贤坤-淖肖费者：4: 0 蒋贤坤-冲肖费者；5: 4 蒋贤坤A消费者淖；3 蒋贤坤消费者：7i 9 蒋贤坤淨消费看:G: 6 蒋贤坤消费者：9： 8 蒋 贤坤:buff is emptyUonsumer) 蒋贤坤产者： 蒋贤坤吐产肴: 蒋贤坤生产者： 蒋贤坤生产者： 蒋贤坤

25、珪产者: 蒋肾坤-洼产者: 蒋贤坤产者: 蒋贤坤产者： 蒋贤坤"生产者： 蒋贤坤生产者：图3.14结果分析和总结1、具体应用情况生产者-消费者是一个很广泛的问题，代表了多线程互斥访问共享资源，以及线 程之间通信的各种问题的总和。这个可以从数据看出，简单有无等待的设置，可以 让数据差异变的如此明显。毕竟，在实际应用中，生产者如何生产数据，产生怎样 的数据，而消费者又如何拿到数据，是通过管道还是内存共享区，拿到数据之后, 是进行处理还是写入磁盘，都有可能，因而，简单通过几组数据来判断哪个进程的 效率更高，是不科学的。我们可以通过两个实际的例子来解释有无等待的情况。有等待更像是在火锅店 吃

26、火锅，商家只要把锅准备好，将生菜切好端上来即可，而顾客大量的时间用在食用上，等待的时间也很少，这样资源位置会大量被消耗，但是实际资源消耗的速度很慢，但是由于空间被占用,生产者无法继续生产。而无等待更像是快餐外卖，商家花大量时间将食物准备好,而消费者只需要交钱拿东西走人即可，资源位置空闲很多，消费者等待时间较长,但是处理数据的过程简单又节约资源。这里还有一个问题，就是资源槽的数量，理论上这个方案应该放弃资源槽，但 是从实际实现方法来看，只不过将每个资源槽的标志位移动到资源内部，然后通过读写指针进行查询，实际上这还是资源槽的变相实现方式。但是单就资源槽的数目来看，是个很复杂的问题，要保证在生产者想

27、生产的时候不会没槽位，而消费者查 询资源槽状态又不会花费太长时间，这需要具体分析每个函数执行的时间，因而本 实验中只是简单设计为消费者数量的1-3倍。2、线程的调度情况首先要考虑的是线程的调度顺序。为了方便起见，每个线程在产生的时候都有 一个编号，而创建也是按照1-Count这样的顺序for循环创建的。如果线程调度的顺 序和线程创建的顺序一样，那么在无等待情况下应该有这样的结果：消费者远多于 生产者，这样当生产者生产出数据时，前面几个优先完成等待并读取数据的进程就 可以占据先机，拿到数据（这里不考虑数据消费的时间，因为程序的思路和食堂占 座差不多，只要把位置占掉就可以了），而后面一些进程则由于

28、位置不佳基本拿不 到数据。当然，插入等待时间也是一种解决资源分配的方式，这样可以保证每个线程都 有机会获取到资源，不至于让某个线程连续的占用资源很长时间。但是在实际情况 下，每个线程完成工作不一样，又不可能像实验写出的进程那样无私，拿到资源后 就自动等待，这就需要使用线程间通信机制了，让拿不到资源的线程挂起，生产者 完成生产后再唤醒这些进程。3、可能的改进首先，就是线程调度的方式，忙等肯定不是一个好方法，如果换成线程间通信, 轮流挂起或者唤醒某个线程，可能会更好。其次，是消费者的资源分配问题。程序设计的消费者有一个1024字节的buffer，用来处理接收到的数据，但是这个buffer直到线程消

29、失才被回收，如果加上一些资源回收的机制可能会改善程序的性能。最后，是对于生产者和消费者具体完成工作的问题，应该说这个实验设计的场 景还是很简单，完全的内存拷贝，没有什么复杂运算和文件操作，而且由于手头没 有原始版本的代码，无法比较两个代码的性能，整个程序的框架也是重新编写的, 这应该也是一点不足。通过这次试验的练习，我对线程、进程等知识有了更直观深入的了解，同时也深感开发程序的不易，通过写这几个程序，发现最常见的运行错误莫过于“段错误”， 这个错误的范围很广，从访问越界，到数组上下限错误，再到内存或者堆栈溢出, 都可能触发这个错误，而如果没有一定的经验这是相当棘手的问题。当然，这个综 合练习实验有很好的价值，除了涉及多个知识点之外，自己在做程序的时候也通过 解