实验二1进程同步.docx
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实验二1进程同步
实验二
（2）进程同步
一、实验目的
1、生产者-消费者问题是很经典很具有代表性的进程同步问题，计算机中的很多同步问题都可抽象为生产者-消费者问题，通过本实验的练习，希望能加深学生对进程同步问题的认识与理解。
2、熟悉VC的使用，培养和提高学生的分析问题、解决问题的能力。
二、实验内容及其要求
1．实验内容
以生产者/消费者模型为依据，创建一个控制台进程，在该进程中创建n个线程模拟生产者和消费者，实现进程（线程）的同步与互斥。
2．实验要求
学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则；设计程序，实现生产者/消费者进程（线程）的同步与互斥；
三、实验算法分析
1、实验程序的结构图（流程图）；
2、数据结构及信号量定义的说明；
（1）CreateThread
●功能——创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程
●格式
HANDLECreateThread（LPSECURITY_ATTRIBUTESlpThreadAttributes,
DWORDdwStackSize,
LPTHREAD_START_ROUTINElpStartAddress,
LPVOIDlpParamiter,
DWORDdwCreationFlags,
LpdwordlpThread）;
●参数说明
lpThreadAttributes——指向一个LPSECURITY_ATTRIBUTES（新线程的安全性描述符）。
dwStackSize——定义原始堆栈大小。
lpStartAddress——指向使用LPTHRAED_START_ROUTINE类型定义的函数。
lpParamiter——定义一个给进程传递参数的指针。
dwCreationFlags——定义控制线程创建的附加标志。
lpThread——保存线程标志符（32位）
（2）CreateMutex
●功能——创建一个命名或匿名的互斥量对象
●格式
HANDLECreateMutex（LPSECURITY_ATTRIBUTESlpMutexAttributes,
BOOLbInitialOwner,
LPCTSTRlpName）;
bInitialOwner——指示当前线程是否马上拥有该互斥量（即马
●参数说明
lpMutexAttributes——必须取值NULL。
上加锁）。
lpName——互斥量名称。
（3）CreateSemaphore
●功能——创建一个命名或匿名的信号量对象
●格式
HANDLECreateSemaphore（LPSECURITY_ATTRIBUTESlpSemaphoreAttributes,
LONGlInitialCount,
LONGlMaximumCount,
LPCTSTRlpName）;
●参数说明
lpSemaphoreAttributes——必须取值NULL。
lInitialCount——信号量的初始值。
该值大于0，但小于lMaximumCount指定的最大值。
lMaximumCount——信号量的最大值。
lpName——信号量名称。
（4）WaitForSingleObject
功能——使程序处于等待状态，直到信号量hHandle出现（即其值大于等于1）或超过规定的等待时间
●格式
DWORDWaitForSingleObject（HANDLEhHandle,DWORDdwMilliseconds）;
●参数说明
hHandle——信号量指针。
dwMilliseconds——等待的最长时间（INFINITE为无限等待）。
（5）ReleaseSemaphore
●功能——对指定信号量加上一个指定大小的量。
成功执行则返回非0值
●格式
BOOLReleaseSemaphore（HANDLEhSemaphore,
LONGlReleaseCount,
LPLONGlppreviousCount）;
●参数说明
hSemaphore——信号量指针。
lReleaseCount——信号量的增量。
lppreviousCount——保存信号量当前值。
（6）ReleaseMutex
●功能——打开互斥锁，即把互斥量加1。
成功调用则返回0
●格式
BOOLReleaseMutex（HANDLEhMutex）;
●参数说明
hMutex——互斥量指针。
（7）InitializeCriticalSection
●功能——初始化临界区对象
●格式
VOIDInitializeCriticalSection（LPCRITICAL_SECTIONlpCriticalSection）;
●参数说明
lpCriticalSection——指向临界区对象的指针。
（8）EnterCriticalSection
功能——等待指定临界区对象的所有权
●格式
VOIDenterCriticalSection（LPCRITICAL_SECTIONlpCriticalSection）;
●参数说明
lpCriticalSection——指向临界区对象的指针。
（9）LeaveCriticalSection
●功能——释放指定临界区对象的所有权
●格式
VOIDLeaveCriticalSection（LPCRITICAL_SECTIONlpCriticalSection）;
●参数说明
lpCriticalSection——指向临界区对象的指针
4、主要算法
创建生产者和消费者线程
for（i=0;i<（int）n_Thread;i++）{
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）,
&（Thread_Info[i]）,0,NULL）;
}
生产者进程
voidProduce（void*p）
{
//局部变量声明；
DWORDwait_for_semaphore,wait_for_mutex,m_delay;
intm_serial;
//获得本线程的信息；
m_serial=（（ThreadInfo*）（p））->serial;
m_delay=（DWORD）（（（ThreadInfo*）（p））->delay*INTE_PER_SEC）;
Sleep（m_delay）;
//开始请求生产
printf（"Producer%2dsendstheproducerequire.\n",m_serial）;
//确认有空缓冲区可供生产，同时将空位置数empty减1；用于生产者和消费者的同步；
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，以下的写操作在生产者之间可以并发；
//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;
printf（"Producer%2dbegintoproduceatposition%2d.\n",m_serial,ProducePos）;
Buffer_Critical[ProducePos]=m_serial;
printf（"Producer%2dfinishproducing:
\n",m_serial）;
printf（"position[%2d]:
%3d\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）
{
//局部变量声明；
DWORDwait_for_semaphore,m_delay;
intm_serial,m_requestNum;//消费者的序列号和请求的数目；
intm_thread_request[MAX_THREAD_NUM];//本消费线程的请求队列；
//提取本线程的信息到本地；
m_serial=（（ThreadInfo*）（p））->serial;
m_delay=（DWORD）（（（ThreadInfo*）（p））->delay*INTE_PER_SEC）;
m_requestNum=（（ThreadInfo*）（p））->n_request;
for（inti=0;im_thread_request[i]=（（ThreadInfo*）（p））->thread_request[i];
Sleep（m_delay）;
//循环进行所需产品的消费
for（i=0;i//请求消费下一个产品
printf（"Consumer%2drequesttoconsume%2dproduct\n",m_serial,m_thread_request[i]）;
//如果对应生产者没有生产，则等待；如果生产了,允许的消费者数目-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的消费处理，读和读在该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的信号量；
EnterCriticalSection（&PC_Critical[BufferPos]）;
printf（"Consumer%2dbegintoconsume%2dproduct\n",m_serial,m_thread_request[i]）;
（（ThreadInfo*）（p））->thread_request[i]=-1;
if（!
IfInOtherRequest（m_thread_request[i]））{
Buffer_Critical[BufferPos]=-1;//标记缓冲区为空；
printf（"Consumer%2dfinishconsuming%2d:
\n",m_serial,m_thread_request[i]）;
printf（"position[%2d]:
%3d\n",BufferPos,Buffer_Critical[BufferPos]）;
ReleaseSemaphore（empty_semaphore,1,NULL）;
}
else{
printf（"Consumer%2dfinishconsumingproduct%2d\n",m_serial,m_thread_request[i]）;
}
//离开临界区
LeaveCriticalSection（&PC_Critical[BufferPos]）;
}
}
示例程序源代码：
#include
#include
#include
#include
#include
//定义常量；
//此程序允许的最大临界区数；
#defineMAX_BUFFER_NUM10
//秒到微秒的乘法因子；
#defineINTE_PER_SEC1000
//本程序允许的生产和消费线程的总数；
#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
{
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
};
//全局变量的定义
//临界区对象的声明,用于管理缓冲区的互斥访问；
CRITICAL_SECTIONPC_Critical[MAX_BUFFER_NUM];
intBuffer_Critical[MAX_BUFFER_NUM];//缓冲区声明，用于存放产品；
HANDLEh_Thread[MAX_THREAD_NUM];//用于存储每个线程句柄的数组；
ThreadInfoThread_Info[MAX_THREAD_NUM];//线程信息数组；
HANDLEempty_semaphore;//一个信号量；
HANDLEh_mutex;//一个互斥量；
DWORDn_Thread=0;//实际的线程的数目；
DWORDn_Buffer_or_Critical;//实际的缓冲区或者临界区的数目；
HANDLEh_Semaphore[MAX_THREAD_NUM];//生产者允许消费者开始消费的信号量；
//生产消费及辅助函数的声明
voidProduce（void*p）;
voidConsume（void*p）;
boolIfInOtherRequest（int）;
intFindProducePositon（）;
intFindBufferPosition（int）;
intmain（void）
{
//声明所需变量；
DWORDwait_for_all;
ifstreaminFile;
//初始化缓冲区；
for（inti=0;iBuffer_Critical[i]=-1;
//初始化每个线程的请求队列；
for（intj=0;jfor（intk=0;kThread_Info[j].thread_request[k]=-1;
Thread_Info[j].n_request=0;
}
//初始化临界区；
for（i=0;iInitializeCriticalSection（&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"）;
//从文件中获得实际的缓冲区的数目；
inFile>>n_Buffer_or_Critical;
inFile.get（）;
printf（"输入文件是:
\n"）;
//回显获得的缓冲区的数目信息；
printf（"%d\n",（int）n_Buffer_or_Critical）;
//提取每个线程的信息到相应数据结构中；
while（inFile）{
inFile>>Thread_Info[n_Thread].serial;
inFile>>Thread_Info[n_Thread].entity;
inFile>>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++;
}
//回显获得的线程信息，便于确认正确性；
for（j=0;j<（int）n_Thread;j++）{
intTemp_serial=Thread_Info[j].serial;
charTemp_entity=Thread_Info[j].entity;
doubleTemp_delay=Thread_Info[j].delay;
printf（"\nthread%2d%c%f",Temp_serial,Temp_entity,Temp_delay）;
intTemp_request=Thread_Info[j].n_request;
for（intk=0;kprintf（"%d",Thread_Info[j].thread_request[k]）;
cout<}
printf（"\n\n"）;
//创建在模拟过程中几个必要的信号量
empty_semaphore=CreateSemaphore（NULL,n_Buffer_or_Critical,n_Buffer_or_Critical,
"semaphore_for_empty"）;
h_mutex=CreateMutex（NULL,FALSE,"mutex_for_update"）;
//下面这个循环用线程的ID号来为相应生产线程的产品读写时所
//使用的同步信号量命名；
for（j=0;j<（int）n_Thread;j++）{
std:
:
stringlp="semaphore_for_produce_";
inttemp=j;
while（temp）{
charc=（char）（temp%10）;
lp+=c;
temp/=10;
}
h_Semaphore[j+1]=CreateSemaphore（NULL,0,n_Thread,lp.c_str（））;
}
//创建生产者和消费者线程；
for（i=0;i<（int）n_Thread;i++）{
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）,
&（Thread_Info[i]）,0,NULL）;
}
//主程序等待各个线程的动作结束；
wait_for_all=WaitForMultipleObjects（n_Thread,h_Thread,TRUE,-1）;
printf（"\n\nALLProducerandconsumerhavefinishedtheirwork.\n"）;
getch（）;
return0;
}
//确认是否还有对同一产品的消费请求未执行；
boolIfInOtherRequest（intreq）
{
for（inti=0;ifor（intj=0;jif（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（）
{
intEmptyPosition;
for（inti=0;iif（Buffer_Critical[i]==-1）{
EmptyPosition=i;
//用下面这个特殊值表示本缓冲区正处于被写状态；
Buffer_Critical[i]=-2;
break;
}
returnEmptyPosition;
}
//找出当前所需生产者生产的产品的位置；
intFindBufferPosition（intProPos）
{
intTempPos;
for（inti=0;iif（Buffer_Critical[i]==ProPos）{
TempPos=i;
break;
}
returnTempPos;
}
//生产者进程
voidProduce（void*p）
{
//局部变量声明；
DWORDwait_for_semaphore,wait_for_mutex,m_delay;
intm_serial;
//获得本线程的信息；
m_serial=（（ThreadInfo*）（p））->serial;
m_delay=（DWORD）（（（ThreadInfo*）（p））->delay*INTE_PER_SEC）;
Sleep（m_delay）;
//开始请求生产
printf（"Producer%2dsendstheproducerequire.\n",m_serial）;
//确认有空缓冲区可供生产，同时将空位置数empty减1；用于生产者和消费者的同步；
wait_for_semaphore=Wai
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