线程同步和互斥.docx
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线程同步和互斥
课程设计题目:
线程同步和互斥操作的实现
课题背景:
线程(Thread)是一份独立运行的程序,有自己专用的运行栈。
线程有可能和其他线程共享一些资源,比如,内存,文件,数据库等。
当多个线程同时读写同一份共享资源的时候,可能会引起冲突。
如车站售票系统,多个售票员同时对车票数据库进行操作,卖出一张票车票数将减一,如果同时两个或多个售票员同时进行售票,系统将数据进行减一操作,这是就出现了错误。
这时候,我们需要引入线程同步和互斥机制,即各位线程之间要有个先来后到,不能一窝蜂挤上去抢作一团。
设计目的:
设计程序解决进程的同步互斥,分析程序思路,加深对同步互斥的了解。
设计方法与内容:
使用信号两与pv操作源于来实现线程的同步与互斥,设计程序对商品的生产与销售流程进行模拟。
线程同步和互斥操作的实现
[摘要]用PV操作及信号量解决线程同步互斥问题
[关键词]线程同步互斥信号量PV操作商品生产销售
引言
线程间的同步(实指线程间的通信):
一般来说,一个线程相对于另一个线程的运行速度是不确定的,也就是说线程是在异步环境下运行的,每个线程都会以不可预知的速度向前推进。
但是相互合作的线程需要在某些确定点上协调工作,当一个线程到达了这些点后,除非另一进程已经完成了某些操作,否则就不得不停下来等待别的线程来完成这些操作,这就是线程间的同步。
线程间的互斥(实指对同享资源约束访问):
在多线程环境中,各线程可以共享各类资源,但有些资源一次只能允许一个线程使用,这种资源称“临界资源”,如公共变量、打印机等。
临界区:
对临界资源实施操作的一段程序。
线程间的同步与互斥是通过操作系统的信号量与PV操作原语来实现的。
信号量与PV操作分析
信号量是最早出现的用来解决进程同步与互斥问题的机制(也可实现进程通信),包括一个称为信号量的变量及对它进行的两个原语操作p、v。
p操作和v操作是不可中断的程序段,称为原语。
PV操作由P操作原语和V操作原语组成(原语是不可中断的过程),对信号量进行操作,具体定义如下:
P(m):
①将信号量m的值减1,即m=m-1;
②如果m>=0,则该进程继续执行;否则该进程置为等待状态,排入等待队列。
V(m):
①将信号量m的值加1,即m=m+1;
②如果m>0,则该进程继续执行;否则释放队列中第一个等待信号量的进程。
PV操作的意义:
我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。
PV操作属于进程的低级通信。
信号量的数据结构为一个值和一个指针,指针指向等待该信号量的下一个进程。
信号量的值与相应资源的使用情况有关。
当它的值大于0时,表示当前可用资源的数量;当它的值小于0时,其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。
注意,信号量的值仅能由PV操作来改变。
一般来说,信号量m>=0时,m表示可用资源的数量。
执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源,因此m的值减1;
当m<0时,表示已经没有可用资源,请求者必须等待别的进程释放该类资源,它才能运行下去。
而执行一个V操作意味着释放一个单位资源,因此m的值加1;
若m<=0,表示有某些进程正在等待该资源,因此要唤醒一个等待状态的进程,使之运行下去。
信号量和PV操作模型
进程P1进程P2……进程Pn
……………………
P(S);P(S);……P(S);
临界区;临界区;……临界区;
V(S);V(S);……V(S);
……………………其中信号量S用于互斥,初值为1。
Synchronized用法
1、pv操作是不可中断的,在java语言中设计一个函数不可中断可使用Synchronized关键字,它的作用如下:
1)是某个对象实例内,synchronizedaMethod(){}可以防止多个线程同时访问这个对象的synchronized方法(如果一个对象有多个synchronized方法,只要一个线程访问了其中的一个synchronized方法,其它线程不能同时访问这个对象中任何一个synchronized方法)。
这时,不同的对象实例的synchronized方法是不相干扰的。
也就是说,其它线程照样可以同时访问相同类的另一个对象实例中的synchronized方法;
2)是某个类的范围,synchronizedstaticaStaticMethod{}防止多个线程同时访问这个类中的synchronizedstatic方法。
它可以对类的所有对象实例起作用。
2、除了方法前用synchronized关键字,synchronized关键字还可以用于方法中的某个区块中,表示只对这个区块的资源实行互斥访问。
用法是:
synchronized(this){/*区块*/},它的作用域是当前对象;
3、synchronized关键字是不能继承的,也就是说,基类的方法synchronizedf(){}在继承类中并不自动是synchronizedf(){},而是变成了f(){}。
继承类需要你显式的指定它的某个方法为synchronized方法;
注意问题
使用PV操作实现进程互斥时应该注意的是:
(1)每个程序中用户实现互斥的P、V操作必须成对出现,先做P操作,进临界区,后做V操作,出临界区。
若有多个分支,要认真检查其成对性。
(2)P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部,临界区的代码应尽可能短,不能有死循环。
(3)互斥信号量的初值一般为1。
使用PV操作实现进程同步时应该注意的是:
(1)分析进程间的制约关系,确定信号量种类。
在保持进程间有正确的同步关系情况下,哪个进程先执行,哪些进程后执行,彼此间通过什么资源(信号量)进行协调,从而明确要设置哪些信号量。
(2)信号量的初值与相应资源的数量有关,也与P、V操作在程序代码中出现的位置有关。
(3)同一信号量的P、V操作要成对出现,但它们分别在不同的进程代码中。
概要设计:
本程序模拟商品的生产与销售,生产者producer生产商品后添加到库存stock,销售员seller从库存中取商品进行销售。
生产者:
p(Empty);
p(Mutex);
stocks++;
临界区
v(Mutex);
v(Full);
sleep(n);
销售者:
p(Full);
p(Mutex);
stocks--;
临界区
v(Mutex);
v(Empty);
sleep(n);
详细代码实现:
销售线程
classSellerThreadextendsThread{
privateStringsellerName;
publicSellerThread(StringsName){
super();
sellerName=sName;
}
publicvoidrun(){
while(!
interrupted()){
try{
PS.Full.p();
PS.Mutex.p();
PS.stocks--;
PS.stockJLabel.setText(String.valueOf(PS.stocks));
PS.showjProgressBar1.setValue((int)(100*(double)(PS.stocks)/PS.stockNum));
PS.outjTextArea1.setText(PS.outjTextArea1.getText()+"\r\n"+"ThreadName:
"+sellerName+"\tGlobalvalue:
"+PS.stocks);
PS.Mutex.v();
PS.Empty.v();
sleep((long)((10000)*Math.random()));
}catch(InterruptedExceptionex){
break;
}
}
}
}
生产线程
classProducerThreadextendsThread{
privateStringproducerName;
publicProducerThread(StringsName){
super();
producerName=sName;
}
publicvoidrun(){
while(!
interrupted()){
try{
PS.Empty.p();
PS.Mutex.p();
PS.stocks++;
PS.stockJLabel.setText(String.valueOf(PS.stocks));
PS.showjProgressBar1.setValue((int)(100*(double)(PS.stocks)/PS.stockNum));
PS.outjTextArea1.setText(PS.outjTextArea1.getText()+"\r\n"+"ThreadName:
"+producerName+"\tGlobalvalue:
"+PS.stocks);
PS.Mutex.v();
PS.Full.v();
sleep((long)((10000)*Math.random()));
}catch(InterruptedExceptionex){
break;
}
}//while
}
}
信号量类
classsemaphore{//信号量
privateintmutex;
semaphore(intm){//构造函数
mutex=m;//设置信号量的初始数据
}
publicfinalsynchronizedvoidp()
throwsInterruptedException{
mutex--;
if(mutex<0){
wait();
}
}
publicfinalsynchronizedvoidv(){
mutex++;
if(mutex<=0){
notify();
}
}
publicvoidsetMutex(intsm){
this.mutex=sm;
}
}
主线程
classmainThreadextendsThread{
publicmainThread(){
super();
}
publicvoidrun(){
for(inti=0;inewProducerThread("Producer_"+(i+1)).start();
sleep((long)((1000)*Math.random()));
}
for(inti=0;inewSellerThread("Sellser_"+(i+1)).start();
sleep((long)((1000)*Math.random()));
}
}
}
界面
publicclassPSextendsjavax.swing.JFrame{
……//界面成员对象声明略
staticintsellerNum=5;//常量设置销售进程数目
staticintproducerNum=5;//常量设置生产进程数目
staticintstockNum=10;
staticintstocks=0;
staticsemaphoreFull=newsemaphore(0);
staticsemaphoreEmpty=newsemaphore(stockNum);
staticsemaphoreMutex=newsemaphore
(1);
mainThreadmt=newmainThread();
publicPS(){……}//初始化界面数据等略;
privatevoidstartButtonActionPerformed(java.awt.event.ActionEventevt){
mt.start();
PS.outjTextArea1.setText(null);
this.setEnFalse();
}
privatevoidjButton6ActionPerformed(java.awt.event.ActionEventevt){
System.exit(0);
}
privatevoidsellButtonActionPerformed(java.awt.event.ActionEventevt){
try{
intt=Integer.parseInt(this.sellerJTextField.getText().trim());
if(t>0&&t<=100){
PS.sellerNum=t;
PS.sellsersJLabel.setText(String.valueOf(sellerNum));
}else{
JOptionPane.showMessageDialog(null,"销售者线程在1到100之间","",JOptionPane.INFORMATION_MESSAGE);
}
}catch(NumberFormatExceptionnumberFormatException){
JOptionPane.showMessageDialog(null,"参数输入错误","",JOptionPane.INFORMATION_MESSAGE);
}
}
privatevoidproduceButtonActionPerformed(java.awt.event.ActionEventevt){
try{
intt=Integer.parseInt(this.producerJTextField.getText().trim());
if(t>0&&t<=100){
PS.producerNum=t;
PS.producersJLabel.setText(String.valueOf(producerNum));
}else{
JOptionPane.showMessageDialog(null,"生产者线程在1到100之间","",JOptionPane.INFORMATION_MESSAGE);
}
}catch(NumberFormatExceptionnumberFormatException){
JOptionPane.showMessageDialog(null,"参数输入错误","",JOptionPane.INFORMATION_MESSAGE);
}
}
privatevoidstockButtonActionPerformed(java.awt.event.ActionEventevt){
try{
intt=Integer.parseInt(this.stocksJTextField.getText().trim());
if(t>0&&t<=100000){
PS.stockNum=t;
PS.stockNumJLabel.setText(String.valueOf(t));
Empty.setMutex(t);
}else{
JOptionPane.showMessageDialog(null,"库存总量应在1到100000之间","",JOptionPane.INFORMATION_MESSAGE);
}
}catch(NumberFormatExceptionnumberFormatException){
JOptionPane.showMessageDialog(null,"参数输入错误","",JOptionPane.INFORMATION_MESSAGE);
}
}
publicstaticvoidmain(Stringargs[]){
java.awt.EventQueue.invokeLater(newRunnable(){
publicvoidrun(){
newPS().setVisible(true);
}
});
}
publicvoidsetEnFalse(){
//this.stopButton.setEnabled(true);
this.startButton.setEnabled(false);
this.sellButton.setEnabled(false);
this.produceButton.setEnabled(false);
this.stockButton.setEnabled(false);
}
publicvoidsetEnTrue(){
//this.stopButton.setEnabled(false);
this.startButton.setEnabled(true);
this.sellButton.setEnabled(true);
this.produceButton.setEnabled(true);
this.stockButton.setEnabled(true);
}
}
运行结果
运行界面,首先进行参数设置:
参数设置成功后点击开始
总结
程序的同步与互斥其实并不难理解,同步其实就是一种排队,不通的线程排队等待对某个数据结构进行操作,线程共享同一个数据结构。
互斥是指共享的数据结构在某一时刻只能有一个线程对其进行操作。
程序编写过程中要注意pv操作,它是原语操作,不可中断,在java中提供了Synchronized实现此功能。
信号量的设置,首先应有一个互斥信号量,保证数据结构只有一个线程操作。
还要有表示数据结构容量的信号量,判断是否已满或者已空。
实现了同步功能后要用一些方法直观的显示出同步与互斥的效果,如在线程操作的时候输出操作信息,但这样不是很直观,所以我采用了一个进度条表示总数据库里面数据的情况,进度百分比表示此时数据库数据存在的比例。
如果已满则显示100%,空显示0%,这样可以动态的观察程序不断的生产和销售的整个过程。
处于用户友好性的考虑,应该设置按钮可以让用户自己设置数据库的容量,生产者销售这线程数目等(参考运行界面)。
参考文献
(1)现代操作系统AndrewS.Tanenbaum著陈向群马洪兵等译机械工业出版社
(2)Java语言程序设计张思民编著清华大学出版社
(3)CSDN.NET
(4)JaveEye