操作系统实验报告——进程同步与互斥

《进程同步与互斥》实验报告

实验序号：01实验项目名称：进程同步与互斥 学 号 实验地点 一、实验目的 1、掌握基本的进程同步与互斥算法，理解生产者-消费者问题。 2、学习使用Windows 2000/XP中基本的同步对象，掌握相关API的使用方法。 3、了解Windows 2000/XP中多线程的并发执行机制，实现进程的同步与互斥。 4、设计程序，实现生产者-消费者进程(线程)的同步与互斥； 二、实验环境 Windows 2000/XP + Visual C++ 6.0 三、实验容 以生产者-消费者模型为依据，在Windows 2000/XP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。 四、设计思路和流程框图 生产者进程的功能：生产东西，供消费者消费；消费者进程的功能：消费生产者生产的东西。生产者生产产品并存入缓冲区供消费者取走使用，消费者从缓冲器取出产品去消费。在生产者和消费者同时工作时，必须禁止生产者将产品放入已装满的缓冲器，禁止消费者从空缓冲器取产品。 五、源程序（含注释）清单 1 / 12

姓 名 指导教师 专业、班 时间 . #include #include #include #include #include //定义一些常量； //本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; char //线程序列号 //是P还是C entity; double delay; //线程延迟 //线程请求队列 int thread_request[MAX_THREAD_NUM]; int n_request; }; //全局变量的定义 //请求个数 //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； 2 / 12

. 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]; HANDLE empty_semaphore; HANDLE h_mutex; DWORD DWORD //线程信息数组； //一个信号量； //一个互斥量； //实际的线程的数目； //实际的缓冲区或者临界n_Thread = 0; n_Buffer_or_Critical; 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. } 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++) //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\ //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>> InitializeCriticalSection(&PC_Critical[i]); Thread_Info[n_Thread].thread_request[Thread_Info[n_Thread].n_request++]; inFile.get(c); } n_Thread++; 4 / 12

. } //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 \ } 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\"); int Temp_request = Thread_Info[j].n_request; for(int k=0;k. } 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), } //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\"); printf(\"Press any key to quit!\\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) 6 / 12

&(Thread_Info[i]),0,NULL); . { for(int i=0;i. } 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 //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\ //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 //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); 8 / 12

m_serial; = WaitForSingleObject(empty_semaphore,-1); . //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\ Buffer_Critical[ProducePos] = m_serial; printf(\"Producer %2d finish producing :\\n \ 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;ithread_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\ //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\ ((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 \ printf(\" position[ %2d ]:%3d \\n\" ,BufferPos,Buffer_Critical[BufferPos]); ReleaseSemaphore(empty_semaphore,1,NULL); 10 / 12

} .

else{ printf(\"Consumer %2d finish consuming product %2d\\n \ } //离开临界区 LeaveCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]); } } 六、测试结果以及实验总结 1、通过实验进一步了解了基本的进程同步与互斥算法，理解生产者-消费者问题 2、掌握了相关API的使用方法。 3、了解到进程是一个可以拥有资源的基本单位，是一个可以独立调度和分派的基本单位。而线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分配的基本单位，故又称为轻权（轻型）进程(Light Weight Process)。 11 / 12

. 4、了解到同步对象是指Windows中用于实现同步与互斥的实体，包括信号量(Semaphore)、互斥量(Mutex)、临界区(Critical Section)和事件(Events)等。本实验中使用到信号量、互斥量和临界区三个同步对象。 成绩

备注：实验报告文档的名称：_实验编号 （例如：三_1、三_2）； 实验报告发送到：os365163.

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