实验二-进程(线程)的同步与互斥

实验二进程（线程）的同步与互斥一、实验目的1．掌握基本的同步与互斥算法，理解生产者消费者模型。2．学习使用Windows中基本的同步对象，掌握相关API的使用方法。3．了解Windows中多线程的并发执行机制，实现进程的同步与互斥。二、实验内容1．实验内容以生产者/消费者模型为依据，在Windows环境下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；学习了解Windows同步对象及其特性；熟悉实验环境，掌握相关API的使用方法；设计程序，实现生产者/消费者进程(线程)的同步与互斥；三、相关API的功能及使用我们利用WindowsSDK提供的API编程实现实验题目要求，而VC中包含有WindowsSDK的所有工具和定义。要使用这些API，需要包含堆这些函数进行说明的SDK头文件——最常见的是Windows.h(特殊的API调用还需要包含其他头文件)。下面给出的是本实验使用到的API的功能和使用方法简单介绍。(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,Buffer(共享内存)生产者消费者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);参数说明lpMutexAttributes——必须取值NULL。bInitialOwner——指示当前线程是否马上拥有该互斥量(即马上加锁)。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。该值大于等于0，但小于等于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0)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。四、示例程序//定义一个结构体用于存储线程的信息structThreadInfo{intserial;//线程号charentity;//线程类别(生产者或消费者)doubledelay;//等待时间doublepersist;//操作时间};//生产者voidProducer(void*p){//定义变量用于存储当前线程的信息DWORDm_delay;DWORDm_persist;intm_serial;//从参数中获得信息m_serial=((ThreadInfo*)(p))-serial;m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))-delay*INTE_PER_SEC);m_persist=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))-persist*INTE_PER_SEC);while(running){//P操作cout生产者线程m_serial请求生产.endl;WaitForSingleObject(g_hEmptySemaphore,INFINITE);cout生产者线程m_serial请求独占缓冲区.endl;WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE);Sleep(m_delay);//延迟等待//生产一个产品cout生产者线程m_serial生产++ProductID号产品成功.endl;cout生产者线程m_serial请求将产品ProductID投入缓冲区.endl;//把新生产的产品放入缓冲区g_buffer[in]=ProductID;in=(in+1)%SIZE_OF_BUFFER;Sleep(m_persist);//操作等待cout生产者线程m_serial将产品ProductID投入缓冲区中成功.endl;//输出缓冲区当前的状态cout****************************endl\n当前缓冲区情况如图(■代表已有产品，□代表没有产品):endl;for(inti=0;i10;i++){if(g_buffer[i]0)cout■;elsecout□;}cout\n\n****************************\nendl;//V操作ReleaseMutex(g_hMutex);ReleaseSemaphore(g_hFullSemaphore,1,NULL);}}//消费者voidConsumer(void*p){DWORDm_delay;DWORDm_persist;intm_serial;//从参数中获得信息m_serial=((ThreadInfo*)(p))-serial;m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))-delay*INTE_PER_SEC);m_persist=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))-persist*INTE_PER_SEC);while(running){//P操作cout消费者线程m_serial请求消费.endl;WaitForSingleObject(g_hFullSemaphore,INFINITE);cout消费者线程m_serial请求独占缓冲区.endl;WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE);Sleep(m_delay);//延迟等待//从缓冲区中取出一个产品cout消费者线程m_serial请求取出一个产品.endl;ConsumeID=g_buffer[out];g_buffer[out]=0;out=(out+1)%SIZE_OF_BUFFER;cout消费者线程m_serial取出产品ConsumeID成功.endl;//消耗一个产品cout消费者线程m_serial开始消费消费产品ConsumeID.endl;Sleep(m_persist);cout消费者线程m_serial消费产品ConsumeID成功.endl;//输出缓冲区当前的状态cout****************************endl\n当前缓冲区情况如图:endl;for(inti=0;i10;i++){if(g_buffer[i]0)cout■;elsecout□;}cout\n\n****************************\nendl;//V操作ReleaseMutex(g_hMutex);ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore,1,NULL);}}五、实验结果六、实验结果分析1、记录生产者和消费者的同步执行过程2、分析Producer函数和Consumer函数的功能，并画出对应的程序流程图。Producer函数：通过用变量提取保存提取当前资源信息，然后判断是否执行，接着发出生产请求,请求通过后独占缓冲区资源，接着生产一个产品投入缓冲区，成功后释放所占缓冲区资源，到此此函数执行完成。Consumer函数：也是通过用变量提取保存提取当前资源信息，然后判断是否执行，接着发出消费请求,请求通过后独占缓冲区资源，接着消费一个产品取出缓冲区，成功后释放所占缓冲区资源，到此此函数执行完成。Producer函数：Consumer函数：线程号线程类别延迟时间操作时间操作请求缓冲区请求生产（消费）结果1P12请求生产请求独占（在2前）生产成功2P26请求生产请求独占未生产3C45请求消费无未消费4C56请求消费无未消费5C32无无未消费3、试将同步和互斥的P操作颠倒次序执行，观察并分析程序的运行情况。答：程序产生死锁。程序无法正常运行下去，因为同步和互斥的P操作颠倒次序，即先独占缓冲区资源，后发送请求，因为先独占缓冲区资源，若生产（消费）请求无法通过则一直等待，无法释放资源，因而程序死锁，无法运行了。