linux下利用互斥实现线程访问共享资源含源文件.docx
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linux下利用互斥实现线程访问共享资源含源文件
“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_mutex_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、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。
2016-10-20
linux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
#defineN5//生产者的数目
#defineN215//消费者数目
#defineM20//缓冲数目
#definedebug0//调试模式
#definenowait1//是否添加额外等待
pthread_mutex_tmutex;//互斥信号量
intprod_id=0;//生产者id
intproc_id=0;//消费者id
//成功以及失败次数计数
intSucc[N+N2];
intFail[N+N2];
//用于生产的填充数据
chardt[30]="aaaaaaaaaabbbbbbbbbbcccccccccc";
inttoexit=0;//退出标记
//共用数据区
structdata_struc
{
intOccupied;//该位置是否被占用无论生产还是消费
chard[1024];//数据
structdata_struc*nx;//下一个指针
};
//互斥量
structmtx
{
structdata_struc*rd_p;
structdata_struc*wr_p;
intcnt;//产品数量
};
structmtx*mymutex;
（2）函数说明
voidprintinfo（）;//调试函数，打印公用数据区的内容和状态
voidCreate_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、实验数据
1、程序运行截图
虚拟机：
VMwareWorkstation7.0，win7；硬件：
i3，2GDDR1333；编译：
gccproduct.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，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
<0.3%
函数分析情况
无法分析到消费者、生产者线程
程序运行情况
生产者：
#1成功次数：
12243失败次数：
12213
消费者：
#1成功次数：
12223失败次数：
0
生产者数量
1
消费者数量
1
缓冲长度
20
额外等待
无
CPU占用
>97%
函数分析情况
%cumulativeselfselftotal
timesecondssecondscallsTs/callTs/callname
54.592.082.08buy
45.413.811.73sell
0.003.810.0010.000.00Create_Empty_DS
Callgraph
granularity:
eachsamplehitcovers4byte（s）for0.26%of3.81seconds
index%timeselfchildrencalledname
[1]54.62.080.00buy[1]
-----------------------------------------------
[2]45.41.730.00sell[2]
-----------------------------------------------
0.000.001/1main[8]
[3]0.00.000.001Create_Empty_DS[3]
-----------------------------------------------
Indexbyfunctionname
[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
<0.3%
函数分析情况
无法分析到消费者、生产者线程
程序运行情况
生产者：
#1成功次数：
24829失败次数：
0
消费者：
#1成功次数：
4900失败次数：
15102
消费者：
#2成功次数：
5261失败次数：
14386
…..
消费者：
#5成功次数：
5069失败次数：
14752
生产者数量
1
消费者数量
5
缓冲长度
20
额外等待
无
CPU占用
>97%
函数分析情况
%cumulativeselfselftotal
timesecondssecondscallsTs/callTs/callname
85.292.902.90buy
14.713.400.50sell
0.003.400.0010.000.00Create_Empty_DS
Callgraph
granularity:
eachsamplehitcovers4byte（s）for0.29%of3.40seconds
index%timeselfchildrencalledname
[1]85.32.900.00buy[1]
-----------------------------------------------
[2]14.70.500.00sell[2]
-----------------------------------------------
0.000.001/1main[8]
[3]0.00.000.001Create_Empty_DS[3]
-----------------------------------------------
Indexbyfunctionname
[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
%cumulativeselfselftotal
timesecondssecondscallsTs/callTs/callname
94.081.591.59sell
5.921.690.10buy
0.001.690.0010.000.00Create_Empty_DS
Callgraph
granularity:
eachsamplehitcovers4byte（s）for0.59%of1.69seconds
index%timeselfchildrencalledname
[1]94.11.590.00sell[1]
-----------------------------------------------
[2]5.90.100.00buy[2]
-----------------------------------------------
0.000.001/1main[8]
[3]0.00.000.001Create_Empty_DS[3]
-----------------------------------------------
Indexbyfunctionname
[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
%cumulativeselfselftotal
timesecondssecondscallsTs/callTs/callname
77.282.962.96buy
22.723.830.87sell
0.003.830.0010.000.00Create_Empty_DS
Callgraph
granularity:
eachsamplehitcovers4byte（s）for0.26%of3.83seconds
index%timeselfchildrencalledname
[1]77.32.960.00buy[1]
-----------------------------------------------
[2]22.70.870.00sell[2]
-----------------------------------------------
0.000.001/1main[8]
[3]0.00.000.001Create_Empty_DS[3]
-----------------------------------------------
Indexbyfunctionname
[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
%cumulativeselfselftotal
timesecondssecondscallsTs/callTs/callname
96.374.254.25sell
3.634.410.16buy
0.004.410.0010.000.00Create_Empty_DS
Callgraph
granularity:
eachsamplehitcovers4byte（s）for0.23%of4.41seconds
index%timeselfchildrencalledname
[1]96.44.250.00sell[1]
-----------------------------------------------
[2]3.60.160.00buy[2]
-----------------------------------------------
0.000.001/1main[8]
[3]0.00.000.001Create_Empty_DS[3]
-----------------------------------------------
Indexbyfunctionname
[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
%cumulativeselfselftotal
timesecondssecondscallsTs/callTs/callname
80.292.812.81buy
19.713.500.69sell
0.003.500.0010.000.00Create_Empty_DS
Callgraph
granularity:
eachsamplehitcovers4byte（s）for0.29%of3.50seconds
index%timeselfchildrencalledname
[1]80.32.810.00buy[1]
-----------------------------------------------
[2]19.70.690.00sell[2]
-----------------------------------------------
0.000.001/1main[8]
[3]0.00.000.001Create_Empty_DS[3]
-----------------------------------------------
Indexbyfunctionname
[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：
#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：
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：
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