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    进程(线程)同步和互斥实验报告

    时间：2020-11-15 12:34:44 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人 蒲公英阅读网手机站

    相关热词搜索：线程 进程 同步

    　 操 作 系 统 实 验 报 告 课程名称

    　操作系统

    　实验名称

    　进程（线程）的同步与互斥

    　成绩

    　 学生姓名

    　 作业君

    　 专业

    　 软件工程

    　 班级、学号

    　 同组者姓名

    　 无

    　 实验日期

    　2020

    　 一、实验题目: : 进程（线程）的同步与互斥 二、实验目的 ：

    　自行编制模拟程序，通过形象化的状态显示，加深理解进程的概念、进程之间的状态转换及其所带来的 PCB 内容 、组织的变化，理解进程与其 PCB 间的一一对应关系。

    　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 三、实验内容与要求 ：

    　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；

    　四、算法描述（含数据结构定义）或流程图

    　#include <Windows.h> #include <iostream> #include <stdio.h> #include <math.h> #include <stdlib.h> #include <time.h> using namespace std;

    　 #define MAX_THREAD_NUM 64

    　 //最大线程数 #define INTE_PER_SEC 1000

    　 //延迟时间的毫秒值 const int SIZE_OF_BUFFER = 10;

    　//缓冲区长度 int ProductID = 0;

    　 //产品号 int ConsumeID = 0;

    　//将被消耗的产品号 int in = 0;

    　//产品进缓冲区时的缓冲区下标 int out = 0;

    　 //产品出缓冲区时的缓冲区下标 bool running = true;

    　//判断程序能否继续执行的逻辑值 int g_buffer[SIZE_OF_BUFFER];

    　 //缓冲区是个循环队列 HANDLE g_hMutex;

    　//公有信号量，用于线程间的互斥 HANDLE g_hFullSemaphore;

    　 //生产者的私有信号量，当缓冲区满时迫使生产者等待 HANDLE g_hEmptySemaphore;

    　 //消费者的私有信号量，当缓冲区空时迫使消费者等待

    　//定义一个结构体用于存储线程的信息 struct ThreadInfo {

    　int serial;

    　 //线程号

    　char entity;

    　//线程类别(生产者或消费者)

    　double delay;

    　 //等待时间

    　double persist; //操作时间 };

    　//生产者 void Producer(void* p) {

    　//定义变量用于存储当前线程的信息

    　DWORD m_delay;

    　DWORD m_persist;

    　int m_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 (int i = 0;i < SIZE_OF_BUFFER;++i)

    　 {

    　if (g_buffer[i] != 0)

    　 cout << "■";

    　else

    　cout << "□";

    　 }

    　 cout << "\n\n****************************\n" << endl;

    　//V 操作

    　 ReleaseMutex(g_hMutex);

    　 ReleaseSemaphore(g_hFullSemaphore, 1, NULL);

    　} }

    　//消费者 void Consumer(void* p) {

    　DWORD m_delay;

    　DWORD m_persist;

    　int m_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 (int i = 0;i < SIZE_OF_BUFFER;++i)

    　 {

    　if (g_buffer[i] != 0)

    　 cout << "■";

    　else

    　cout << "□";

    　 }

    　 cout << "\n\n****************************\n" << endl;

    　//V 操作

    　 ReleaseMutex(g_hMutex);

    　 ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore, 1, NULL);

    　} }

    　void prod_cons() {

    　//创建互斥信号量

    　g_hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);

    　//创建同步信号量

    　g_hEmptySemaphore = CreateSemaphore(NULL, SIZE_OF_BUFFER, SIZE_OF_BUFFER, NULL);

    　g_hFullSemaphore = CreateSemaphore(NULL, 0, SIZE_OF_BUFFER, NULL);

    　srand((unsigned)time(NULL));

    　//以时间函数为种子

    　const unsigned short THREADS_COUNT = rand() % 5 + 5; //总的线程数(随机生成)

    　 //线程对象的数组

    　HANDLE hThreads[MAX_THREAD_NUM];

    　ThreadInfo thread_info[MAX_THREAD_NUM];

    　 DWORD thread_ID; //线程 ID

    　int num = 0;

    　 //临时变量，用于循环语句

    　cout << "系统开始模拟，并自动生成模拟数据..." << endl;

    　system("pause"); //暂停确认开始执行

    　cout << "线程总数：" << THREADS_COUNT << endl;

    　 //循环随机生成各个线程的信息

    　while (num != THREADS_COUNT)

    　{

    　 thread_info[num].serial = num + 1;

    　 if (rand() % 2 == 1)

    　thread_info[num].entity = "P";

    　 else

    　thread_info[num].entity = "C";

    　 thread_info[num].delay = rand() % 5 + 1;

    　 thread_info[num].persist = rand() % 6 + 2;

    　 num++;

    　}

    　 cout << "\n 系统生成数据结束，模拟数据如下:" << endl

    　 << "线程号

    　线程类别

    　延迟时间

    　操作时间" << endl;

    　for (int x = 0;x < THREADS_COUNT;x++)

    　 cout << "

    　" << thread_info[x].serial << "\t"

    　 << "

    　 " << thread_info[x].entity << "\t"

    　 << "

    　" << thread_info[x].delay << "\t\t"

    　 << "

    　 " << thread_info[x].persist << endl;

    　cout << "\n\n==================生产者-消费者 开始==================\n" << endl;

    　 //创建线程

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

    　{

    　 //创建生产者线程

    　 if (thread_info[i].entity == "P")

    　hThreads[i] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)(Producer), &thread_info[i], 0, &thread_ID);

    　 //创建消费者线程

    　 else

    　hThreads[i] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)(Consumer), &thread_info[i], 0, &thread_ID);

    　}

    　 while (running)

    　{

    　 if (getchar())

    　 {

    　//按回车后终止程序运行

    　running = false;

    　 }

    　}

    　cout << "系统模拟结束..." << endl; } int main() {

    　cout << "\n==================生产者-消费者 模拟==================\n" << endl;

    　prod_cons(); }

    　五、实验过程

    　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：调用函数,获取资源情况，然后判断条件是否满足,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：

    　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。

    　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：

    　如将同步和互斥的 P 操作颠倒次序执行，程序会产生死锁。因为这个操作会先独占缓冲区的资源，然后才发送请求。如果生产或者消费请求无法通过而一直等待下去的话，则无法释放资源，进而产生程序的死锁，使得程序无法运行！

    　六、实验总结

    　通过本次实验，让我对线程的同步与互斥技术有了比较深刻的了解，生产者消费者问题是研究多线线程程序绕不开的问题，它的描述是有一块生产者和消费者共享的有界缓冲区，生产者往缓冲区放入产品，消费者从缓冲区取走产品，这个过程可以无休止的进行，不能因缓冲区满生产者放不进产品而终止，也不能因缓冲区空消费者无产品可取而终止。

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