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
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