基于ARM的多线程应用程序设计文档格式.docx

1、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。2 完成步骤2.1 思路分析 本试验是练习生产者-消费者

2、问题，成性能分析，使理解掌握线程的同步、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。 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

3、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。2.2 结构流程图 试验为生产者-消费者问题模型的实现，主程序中分别启动生产者线程和消费者线程。生产者线程不

4、断顺序地将0到9的数字写入共享的循环缓冲区，同时消费者线程不断地从共享的循环缓冲区读取数据。试验流程图如下：图2-1 结构流程图2.3 重要函数2.3.1源程序试验代码：/*main.c*/#includeproducer.hcustomer.hdata.hstdio.h/*实现生产者线程生产数据放入一个单向链表中，消费者线程负责消费数据*/intmain（）pthread_tthread_pro;thread_cons;printf（create.n）;/创建生产者线程。pthread_create（&thread_pro,NULL,（void*）producer,NULL）;/创建消费者线

5、程。thread_cons,NULL,（void*）customer,NULL）;finished!nwhile（1）return0;/*data.h*/#ifndefDATA_H_#define/单向链表数据结构structproductproduct*pre_product;charproduct_data20;*next_product;/向单向链表中加入一个节点（生产）。voidaddProduct（char*product_data）;/从单向链表中取出全部节点信息（消费）。consProduct（）;#endif/*data.c*/stdlib.hstring.h product*

6、present_product=NULL;*pre_product=NULL;lock=0;*product_data）while（lock=1）;lock=1;*new_product=malloc（sizeof（structproduct）;if（present_product=NULL）new_product-pre_product=NULL;strcpy（product_data,product_data）;next_product=NULL;present_product=new_product;elsepre_product=present_product;present_prod

7、uct-next_product=new_product;consProduct（）while（present_product!=NULL）pre_product=present_product-pre_product;%sn,present_product-product_data）;if（pre_product!pre_product-next_product=0;free（present_product）;present_product=pre_product;/*producer.h*/PRODUCER_H_/生产者执行生产任务producer（）;/*producer.c*/temp

8、_i=0;producer（）temp20=0;sprintf（temp,number_%d,temp_i）;addProduct（temp）;temp_i+;usleep（int）（rand（）/2000）;/*customer.h*/CUSTOMER_H_/消费者执行消费任务。customer（）;/*customer.c*/customer（）-nusleep（int）（rand（）/1000）;int main（int argc, char *argv）pthread_t producer_id;pthread_t consumer_id; pthread_create（&produc

9、er_id, NULL, producer, NULL）; void *producer（void *arg）pthread_detach（pthread_self（）; while（1） pthread_mutex_lock（&mutex）;if （size = MALE_LENGTH）person:buff is full（producer）nproducer_wait = 1;pthread_cond_wait（&full_cond, &producer_wait = 0; rear = （rear + 1） % MALE_LENGTH;buffrear = rand（） % MALE_

10、LENGTH;producer: %d: %dn, rear, buffrear）;+size;if （size = 1）while （1）if （consumer_wait）pthread_cond_signal（&empty_cond）;break;pthread_mutex_unlock（&consumer_id, NULL, consumer, NULL）;void *consumer（void *arg） pthread_detach（pthread_self（）; while（1）if（size = 0）buff is empty（consumer）nconsumer_wait =

11、 1;empty_cond, &consumer_wait = 0;consumer:%d:, front, bufffront）;front = （front + 1） % MALE_LENGTH;-size;if （size = MALE_LENGTH-1）if（producer_wait）full_cond）;sleep（1）;return 0;2.3.2函数分析 生产者写入缓冲区和消费者从缓冲区读数的具体流程，生产者首先要获得互斥锁，并且判断资源槽是否已满，如果资源槽已满则进入等待状态，等待信号 full ；如果不满则向资源槽中写一个整数，并且释放信号为 empty，最后释放互斥锁。消

12、费者线程与生产者线程类似，流程图如下：图2-2 生产消费流程图 1）生产者写入共享的循环缓冲区入口函数 首先我们需要线程分离，调用pthread_detach（）即可，线程分离是不让其他线程等待，继续运行。在主循环中我们需要给资源槽上锁，不让消费者函数访问，然后判断资源槽是否满，若为满就解锁资源槽，然后等待消费者激活信号full _cond到来。若没满就增加一个数值给资源槽，然后判断资源槽是否有数据，若有就激活消费者信号empty_cond来消费。void *producer（void *arg）if （size = MALE_LENGTH）if （consumer_wait）2）消费者读取共

13、享的循环缓冲区函数GET 首先需要线程分离，调用pthread_detach（）即可。在主循环中我们需要给资源槽上锁，不让生产者函数访问，然后判断资源槽是否满，若不满就解锁资源槽，然后等待消生产者激活信号empty _cond到来。若满就读取一个数值，然后判断资源槽是否有数据，若无就激活生产者信号full_cond来生产。3 实验数据3.1下载和调试截图首先进入目录/mnt/hgfs/share/JXK，然后输入命令gcc xiankun-j.c -o xiankun-j.exe -lpthread编译代码,之后运行可执行文件./xiankun-j.exe，运行结果如图3.1所示。图3.14

14、结果分析和总结1、具体应用情况 生产者-消费者是一个很广泛的问题，代表了多线程互斥访问共享资源，以及线程之间通信的各种问题的总和。这个可以从数据看出，简单有无等待的设置，可以让数据差异变的如此明显。毕竟，在实际应用中，生产者如何生产数据，产生怎样的数据，而消费者又如何拿到数据，是通过管道还是内存共享区，拿到数据之后，是进行处理还是写入磁盘，都有可能，因而，简单通过几组数据来判断哪个进程的效率更高，是不科学的。 我们可以通过两个实际的例子来解释有无等待的情况。有等待更像是在火锅店吃火锅，商家只要把锅准备好，将生菜切好端上来即可，而顾客大量的时间用在食用上，等待的时间也很少，这样资源位置会大量被消

15、耗，但是实际资源消耗的速度很慢，但是由于空间被占用，生产者无法继续生产。而无等待更像是快餐外卖，商家花大量时间将食物准备好，而消费者只需要交钱拿东西走人即可，资源位置空闲很多，消费者等待时间较长，但是处理数据的过程简单又节约资源。 这里还有一个问题，就是资源槽的数量，理论上这个方案应该放弃资源槽，但是从实际实现方法来看，只不过将每个资源槽的标志位移动到资源内部，然后通过读写指针进行查询，实际上这还是资源槽的变相实现方式。但是单就资源槽的数目来看，是个很复杂的问题，要保证在生产者想生产的时候不会没槽位，而消费者查询资源槽状态又不会花费太长时间，这需要具体分析每个函数执行的时间，因而本实验中只是简

16、单设计为消费者数量的1-3倍。2、线程的调度情况 首先要考虑的是线程的调度顺序。为了方便起见，每个线程在产生的时候都有一个编号，而创建也是按照1-Count这样的顺序for循环创建的。如果线程调度的顺序和线程创建的顺序一样，那么在无等待情况下应该有这样的结果：消费者远多于生产者，这样当生产者生产出数据时，前面几个优先完成等待并读取数据的进程就可以占据先机，拿到数据（这里不考虑数据消费的时间，因为程序的思路和食堂占座差不多，只要把位置占掉就可以了），而后面一些进程则由于位置不佳基本拿不到数据。 当然，插入等待时间也是一种解决资源分配的方式，这样可以保证每个线程都有机会获取到资源，不至于让某个线程

17、连续的占用资源很长时间。但是在实际情况下，每个线程完成工作不一样，又不可能像实验写出的进程那样无私，拿到资源后就自动等待，这就需要使用线程间通信机制了，让拿不到资源的线程挂起，生产者完成生产后再唤醒这些进程。3、可能的改进 首先，就是线程调度的方式，忙等肯定不是一个好方法，如果换成线程间通信，轮流挂起或者唤醒某个线程，可能会更好。 其次，是消费者的资源分配问题。程序设计的消费者有一个1024字节的buffer，用来处理接收到的数据，但是这个buffer直到线程消失才被回收，如果加上一些资源回收的机制可能会改善程序的性能。 最后，是对于生产者和消费者具体完成工作的问题，应该说这个实验设计的场景还是很简单，完全的内存拷贝，没有什么复杂运算和文件操作，而且由于手头没有原始版本的代码，无法比较两个代码的性能，整个程序的框架也是重新编写的，这应该也是一点不足。 通过这次试验的练习，我对线程、进程等知识有了更直观深入的了解，同时也深感开发程序的不易，通过写这几个程序，发现最常见的运行错误莫过于“段错误”，这个错误的范围很广，从访问越界，到数组上下限错误，再到内存或者堆栈溢出，都可能触发这个错误，而如果没有一定的