2024年4月29日发(作者：)
《
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、实验内容
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
冲器内取出产品去消费。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内，禁止消费者从空缓冲器内取产品。
五、源程序（含注释）清单
#include
姓 名
指导教师
专业、班
时间
#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；
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 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++) //打开输入文件，按照规定的格式提取线程等信息； (""); //从文件中获得实际的缓冲区的数目； inFile >> n_Buffer_or_Critical; (); 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; (c); while(c!='n'&& !()){ inFile>> InitializeCriticalSection(&PC_Critical[i]); Thread_Info[n_Thread].thread_request[Thread_Info[n_Thread].n_request+ +]; (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); } printf("nn"); //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 printf(" %d ", Thread_Info[j].thread_request[k]); cout< 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), } //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) { &(Thread_Info[i]),0,NULL); for(int i=0;i 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; for(int j=0;j if(Thread_Info[i].thread_request[j] == req) return TRUE; 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 //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); m_serial; //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 productn",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 %2dn ",m_serial,m_thread_request[i]); } //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)。 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：姓名_实验编号 （例如：张三_1、张三_2）； 实验报告发送到：*************
发布评论