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

HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,

DWORD dwStackSize,

LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,

LPVOID lpParamiter,

DWORD dwCreationFlags,

Lpdword lpThread );

●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

HANDLE CreateMutex(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,

BOOL bInitialOwner,

LPCTSTR lpName);

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

HANDLE CreateSemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes,

LONG lInitialCount,

LONG lMaximumCount,

LPCTSTR lpName );

●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

DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle, DWORD dwMilliseconds);

●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

BOOL ReleaseSemaphore(HANDLE hSemaphore,

LONG lReleaseCount,

LPLONG lppreviousCount );

●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

BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex);

●参数说明

hMutex——互斥量指针。

(7) InitializeCriticalSection

●功能——初始化临界区对象

●格式

VOID InitializeCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);

●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

VOID enterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);

●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

VOID LeaveCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);

●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

void Produce(void *p)

{

//局部变量声明；

DWORD wait_for_semaphore,wait_for_mutex,m_delay;

int m_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 %2d sends the produce require.\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);

int ProducePos = 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 %2d begin to produce at position %2d.\n",m_serial,ProducePos);

Buffer_Critical[ProducePos] = m_serial;

printf("Producer %2d finish producing :\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

void Consume(void * p)

{

//局部变量声明；

DWORD wait_for_semaphore,m_delay;

int m_serial,m_requestNum; //消费者的序列号和请求的数目；

int m_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 (int i = 0;i

m_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 %2d request to consume %2d product\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

int BufferPos=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%2d begin to consume %2d product \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%2d finish consuming %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 %2d finish consuming product %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；

#define MAX_BUFFER_NUM 10

//秒到微秒的乘法因子；

#define INTE_PER_SEC 1000

//本程序允许的生产和消费线程的总数；

#define MAX_THREAD_NUM 64

//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

struct ThreadInfo

{

int serial; //线程序列号

char entity; //是P还是C

double delay; //线程延迟

int thread_request[MAX_THREAD_NUM]; //线程请求队列

int n_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_SECTION PC_Critical[MAX_BUFFER_NUM];

int Buffer_Critical[MAX_BUFFER_NUM]; //缓冲区声明，用于存放产品；HANDLE h_Thread[MAX_THREAD_NUM]; //用于存储每个线程句柄的数组；ThreadInfo Thread_Info[MAX_THREAD_NUM]; //线程信息数组；

HANDLE empty_semaphore; //一个信号量；

HANDLE h_mutex; //一个互斥量；

DWORD n_Thread = 0; //实际的线程的数目；

DWORD n_Buffer_or_Critical; //实际的缓冲区或者临界区的数目；HANDLE h_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

void Produce(void *p);

void Consume(void *p);

bool IfInOtherRequest(int);

int FindProducePositon();

int FindBufferPosition(int);

int main(void)

{

//声明所需变量；

DWORD wait_for_all;

ifstream inFile;

//初始化缓冲区；

for(int i=0;i< MAX_BUFFER_NUM;i++)

Buffer_Critical[i] = -1;

//初始化每个线程的请求队列；

for(int j=0;j

for(int k=0;k

Thread_Info[j].thread_request[k] = -1;

Thread_Info[j].n_request = 0;

}

//初始化临界区；

for(i =0;i< MAX_BUFFER_NUM;i++)

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;

char c;

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++){

int Temp_serial = Thread_Info[j].serial;

char Temp_entity = Thread_Info[j].entity;

double Temp_delay = Thread_Info[j].delay;

printf(" \n thread%2d %c %f ",Temp_serial,Temp_entity,Temp_delay);

int Temp_request = Thread_Info[j].n_request;

for(int k=0;k

printf(" %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::string lp ="semaphore_for_produce_";

int temp =j;

while(temp){

char c = (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 \nALL Producer and consumer have finished their work. \n");

getch();

return 0;

}

//确认是否还有对同一产品的消费请求未执行；

bool IfInOtherRequest(int req)

{

for(int i=0;i

for(int j=0;j

if(Thread_Info[i].thread_request[j] == req)

return TRUE;

return FALSE;

}

//找出当前可以进行产品生产的空缓冲区位置；

int FindProducePosition()

{

int EmptyPosition;

for (int i =0;i

if(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;

}

return EmptyPosition;

}

//找出当前所需生产者生产的产品的位置；

int FindBufferPosition(int ProPos)

{

int TempPos;

for (int i =0 ;i

if(Buffer_Critical[i]==ProPos){

TempPos = i;

break;

}

return TempPos;

}

//生产者进程

void Produce(void *p)

{

//局部变量声明；

DWORD wait_for_semaphore,wait_for_mutex,m_delay;

int m_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 %2d sends the produce require.\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);

int ProducePos = 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 %2d begin to produce at position %2d.\n",m_serial,ProducePos);

Buffer_Critical[ProducePos] = m_serial;

printf("Producer %2d finish producing :\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

void Consume(void * p)

{

//局部变量声明；

DWORD wait_for_semaphore,m_delay;

int m_serial,m_requestNum; //消费者的序列号和请求的数目；

int m_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 (int i = 0;i

m_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 %2d request to consume %2d product\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

int BufferPos=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%2d begin to consume %2d product \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%2d finish consuming %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 %2d finish consuming product %2d\n ",m_serial,m_thread_request[i]);

}

//离开临界区

LeaveCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]);

}

}