进程同步机制与互斥生产者消费者问题Word格式.docx
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在设计程序时主要有三个主体部分、三个辅助函数和一个数据结构。
其中主体部分为一个主函数main（），用于初始化缓冲区和各个同步对象，并完成线程信息的读入，最后根据该组的线程记录启动模拟线程，并等待所有线程的运行结束后退出程序；
生产者函数Produce（）和消费者函数Consume（），生产者和消费者函数运行于线程中完成对缓冲区的读、写动作，根据此处生产消费的模型的特点，生产者和消费者之间通过使用同步对象实现了生产和消费的同步与互斥，是本实验的核心所在。
另外三个辅助性函数被生产者和消费者函数调用，是上述生产和消费函数中对缓冲区进行的一系列处理。
定义一个数据结构，记录在测试文件中指定的每一个线程的参数。
1）用一个整型数组Buffer_Critical来代表缓冲区。
不管是生产产品还是对已有的产品的消费都需要访问该组缓冲区。
2）进程信息ThreadInfo数据结构，包含线程的各个信息。
structThreadInfo
{
intserial;
//线程序列号
charentity;
//是P还是C
doubledelay;
//线程延迟
intthread_request[MAX_THREAD_NUM];
//线程请求队列
intn_request;
//请求个数
};
3）在实现本程序的消费生产模型时，具体的通过如下同步对象实现互斥：
1设一个互斥量h_mutex，以实现生产者在查询和保留缓冲区内的下一个位置时进行互斥。
2每一个生产者用一个信号量与其消费者同步，通过设置h_Semaphore[MAX_THREAD_NUM]信号量
3数组实现，该组信号量用于相应的产品已产生。
同时用一个表示空缓冲区数目的信号量empty_semaphore进行类似的同步，只是缓冲区中是否存在空位置，以便开始生产下一个产品。
4每一个缓冲区用一个同步对象实现该缓冲区上消费者之间的互斥，这通过设置临界区对象数组PC_Crilical[MAX_BUFFER_NUM]实现。
1.4程序代码
#include<
stdafx.h>
windows.h>
fstream.h>
stdio.h>
string>
conio.h>
#defineMAX_BUFFER_NUM10
#defineINTE_PER_SEC1000
#defineMAX_THREAD_NUM64
//定义一个结构，记录在测试文件中指定的每一个线程的参数
structThreadInfo
//进程信息ThreadInfo数据结构，包含线程的各个信息
intserial;
charentity;
intdelay;
intthread_request[MAX_THREAD_NUM];
//线程请求队列
intn_request;
//每一个缓冲区用一个同步对象实现该缓冲区上消费者之间的互斥，这通过设置临界区对象数组PC_Crilical[MAX_BUFFER_NUM]实现。
CRITICAL_SECTIONPC_Critical[MAX_BUFFER_NUM];
//用一个整型数组Buffer_Critical来代表缓冲区。
intBuffer_Critical[MAX_BUFFER_NUM];
HANDLEh_Thread[MAX_THREAD_NUM];
ThreadInfoThread_Info[MAX_THREAD_NUM];
//设一个互斥量h_mutex，以实现生产者在查询和保留缓冲区内的下一个位置时进行互斥。
HANDLEh_mutex;
//每一个生产者用一个信号量与其消费者同步，通过设置h_Semaphore[MAX_THREAD_NUM]信号量数组实现，该组信号量用于相应的产品已产生。
HANDLEh_Semaphore[MAX_THREAD_NUM];
//同时用一个表示空缓冲区数目的信号量empty_semaphore进行类似的同步，只是缓冲区中是否存在空位置，以便开始生产下一个产品。
HANDLEempty_semaphore;
DWORDn_Thread=0;
DWORDn_Buffer_or_Critical;
voidProduce（void*p）;
voidConsume（void*p）;
boolIfInOtherRuquest（int）;
intFindProducePosition（）;
intFindBufferPosition（int）;
//函数输入数据，提取线程信息到数据结构中，初始化临界区，创建信号量，创建线程
intmain（void）
{
//声明所需变量
DWORDwait_for_all;
ifstreaminFile;
//初始化缓冲区
for（inti=0;
i<
MAX_BUFFER_NUM;
i++）
Buffer_Critical[i]=-1;
//初始化每个线程的请求序列
for（intj=0;
j<
MAX_THREAD_NUM;
j++）
{
for（intk=0;
k<
k++）
Thread_Info[j].thread_request[k]=-1;
Thread_Info[j].n_request=0;
}
//初始化临界段对象
for（i=0;
InitializeCriticalSection（&
PC_Critical[i]）;
//打开输入文件，按照规定的格式提取线程等信息
inFile.open（"
test.txt"
）;
//从文件中获取实际的缓冲区的数目
inFile>
>
n_Buffer_or_Critical;
inFile.get（）;
printf（"
输入文件是:
\n"
//显示获得的缓冲区数目信息
%d个缓冲区\n"
（int）n_Buffer_or_Critical）;
//提取每个线程信息到相应的数据结构中
while（inFile）
inFile>
Thread_Info[n_Thread].serial;
Thread_Info[n_Thread].entity;
Thread_Info[n_Thread].delay;
charc;
inFile.get（c）;
while（c!
='
\n'
&
!
inFile.eof（））
{
inFile>
Thread_Info[n_Thread].thread_request[Thread_Info[n_Thread].n_request++];
inFile.get（c）;
}
n_Thread++;
}
//显示获得的线程信息，便于确认正确性
for（j=0;
（int）n_Thread;
intTemp_serial=Thread_Info[j].serial;
charTemp_entity=Thread_Info[j].entity;
intTemp_delay=Thread_Info[j].delay;
printf（"
线程%2d%c%d"
Temp_serial,Temp_entity,Temp_delay）;
intTemp_request=Thread_Info[j].n_request;
Temp_request;
printf（"
%d"
Thread_Info[j].thread_request[k]）;
cout<
<
endl;
cout<
"
------------------------------------------------------"
empty_semaphore=CreateSemaphore（NULL,n_Buffer_or_Critical,n_Buffer_or_Critical,"
semaphore_for_empty"
//创建在模拟过程中的几个信号量
h_mutex=CreateMutex（NULL,FALSE,"
mutex_for_update"
//用线程的ID号来为相应的生产线程的产品读写时所使用的同步信号量命名
std:
:
stringlp="
semaphore_for_produce_"
;
inttemp=j;
while（temp）
//转换为字符
charc=（char）（temp%10）;
lp+=c;
temp/=10;
h_Semaphore[j+1]=CreateSemaphore（NULL,0,n_Thread,lp.c_str（））;
//生产者消费者线程
{
if（Thread_Info[i].entity=='
P'
）
h_Thread[i]=CreateThread（NULL,0,（LPTHREAD_START_ROUTINE）（Produce）,&
（Thread_Info[i]）,0,NULL）;
else
h_Thread[i]=CreateThread（NULL,0,（LPTHREAD_START_ROUTINE）（Consume）,&
//主线程等待各个线程结束
wait_for_all=WaitForMultipleObjects（n_Thread,h_Thread,TRUE,-1）;
所有的生产者和消费者已经完成了他们的工作。
请按任意键退出!
_getch（）;
return0;
}
//确认是否还有对同一产品的消费请求未执行
boolIfInOtherRequest（intreq）
n_Thread;
for（intj=0;
Thread_Info[i].n_request;
if（Thread_Info[i].thread_request[j]==req）
returnTRUE;
returnFALSE;
}
//找出当前可以进行产品生产的空缓冲区位置；
intFindProducePosition（）
//用下面这个特殊值表示本缓冲区正处于被写状态；
intEmptyPosition;
for（inti=1;
=n_Buffer_or_Critical;
if（Buffer_Critical[i]==-1）
EmptyPosition=i;
Buffer_Critical[i]=-2;
break;
returnEmptyPosition;
intFindBufferPosition（intProPos）
intTempPos;
if（Buffer_Critical[i]==ProPos）
TempPos=i;
returnTempPos;
//生产者进程
voidProduce（void*p）
DWORDwait_for_semaphore,wait_for_mutex,m_delay;
intm_serial;
//获得本线程信息
m_serial=（（ThreadInfo*）（p））->
serial;
m_delay=（DWORD）（（（ThreadInfo*）（p））->
delay*INTE_PER_SEC）;
Sleep（m_delay）;
//开始请求生产
生产者%2d请求生产\n"
m_serial）;
//确认有缓冲区可以生产，同时将空位置数empty减1；
用于生产者和消费者之间的同步;
wait_for_semaphore=WaitForSingleObject（empty_semaphore,-1）;
//互斥访问下一个可用于生产的空临界区，实现写写互斥
wait_for_mutex=WaitForSingleObject（h_mutex,-1）;
intProducePos=FindProducePosition（）;
ReleaseMutex（h_mutex）;
//生产者在获得自己的空位置并做上标记后，以下写操作在生产者之间可以并发
//在核心生产步骤中，程序将生产者的ID作为产品编号放入，方便消费者识别
生产者%2d开始生产在位置%2d\n"
m_serial,ProducePos）;
Buffer_Critical[ProducePos]=m_serial;
生产者%2d完成生产\n"
位置[%2d]:
%3d的产品\n"
ProducePos,Buffer_Critical[ProducePos]）;
//使生产者写的缓冲区可以被多个消费者使用，实现读写同步
ReleaseSemaphore（h_Semaphore[m_serial],n_Thread,NULL）;
//消费者进程
voidConsume（void*p）
DWORDwait_for_semaphore,m_delay;
//消费者的序列号和请求的数目
intm_serial,m_requestNum;
//本消费线程的请求队列
intm_thread_request[MAX_THREAD_NUM];
//提取本线程信息到本地
m_requestNum=（（ThreadInfo*）（p））->
n_request;
m_requestNum;
m_thread_request[i]=（（ThreadInfo*）（p））->
thread_request[i];
消费者%2d请求消费%2d的产品\n"
m_serial,m_thread_request[i]）;
//请求下一个产品
//如果对应生产者没有生产，则等待；
//如果生产了，允许消费者数目为-1；
实现了读写同步
wait_for_semaphore=WaitForSingleObject（h_Semaphore[m_thread_request[i]],-1）;
//查询所需产品放到缓冲区的号
intBufferPos=FindBufferPosition（m_thread_request[i]）;
//开始进行具体缓冲区处理，读和读在改缓冲区上仍然是互斥的
//进入临界区后执行消费动作，并在完成此次请求后，通知另外的消费者本处请求已经满足；
//同时如果对应的产品使用完毕，就做相应处理，并给出相应动作的界面提示；
//该相应处理指将相应缓冲区清空，并增加代表空缓冲区得信号量
EnterCriticalSection（&
PC_Critical[BufferPos]）;
消费者%2d开始消费%2d的产品\n"
（（ThreadInfo*）（p））->
thread_request[i]=-1;
if（!
IfInOtherRequest（m_thread_request[i]））
//标记缓冲区为空
Buffer_Critical[BufferPos]=0;
消费者%2d消费完成%2d\n"
%3d\n"
BufferPos,Buffer_Critical[BufferPos]）;
//离开临界区
ReleaseSemaphore（empty_semaphore,1,NULL）;
消费者%2d消费完产品%2d\n"
LeaveCriticalSection（&
2实验结果及问题分析
2.1测试结果
测试文件内容为：
5
1P3
2P4
3C41
4P1
5C2124
运行程序如下图主菜单页面所示：
2.2结果分析
由于我们在一个循环中创建了这五个线程，所以认为它们是同时开始运转的。
根据第三列的延迟时间，最早开动作的是thread4生产产品。
它5个缓冲区的位置[1]中生产了产品。
接下来是线程5和1，消费者5要求消费线程1生产的产品，线程1还没有生产，所以先阻塞，然后,线程1发送生产请求，线程1生产完产品放入位置[2]，消费者5才能够消费，接着消费者5要求消费线程2的产品，此产品还没生产，5线程被阻塞。
到第4秒时，线程2要求生产，产品放入位置[3]，消费者3消费线程1的产品.此时线程5所要求消费的产品已经都就绪，所以线程5消费被激活，顺利消费线程1,2,4生产者得产品。
所以，由于对每个产品的都是对它的最后一次消费，所以，消费完产品后随即释放该产品所占缓冲区空间。
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