南昌大学操作系统线程进程同步实验报告

南昌大学实验报告

---（1）进程/线程同步

学生姓名：学号：专业班级：网络工程131班

实验类型：■验证□综合□设计□创新实验日期：实验成绩：

一、实验目的

本实验讨论临界区问题及其解决方案。首先创建两个共享数据资源的并发线程。在没有同步控制机制的情况下，我们将看到某些异常现象。针对观察到的现象，本实验采用Windows 的信号量机制解决临界区互斥访问。

二、实验内容

2.1 进程/线程并发执行

Windows操作系统支持抢先式调度，这意味着一线程运行一段时间后，操作系统会暂停其运行并启动另一线程。也就是说，进程内的所有线程会以不可预知的步调并发执行。为了制造混乱，我们首先创建两个线程t1和t2。父线程（主线程）定义两个全局变量，比如accnt1和accnt2。每个变量表示一个银行账户，其值表示该账户的存款余额，初始值为0。线程模拟在两个账户之间进行转账的交易。也即，每个线程首先读取两个账户的余额，然后产生一个随机数r，在其中一个账户上减去该数，在另一个账户上加上该数。线程操作的代码框架如下：

counter=0;

do {

tmp1 = accnt1 ;

tmp2 = accnt2 ;

r = rand ( ) ;

accnt1 = tmp1 + r ;

accnt2 = tmp2 ? r ;

counter++;

} while ( accnt1 + accnt2 == 0 ) ;

print ( counter ) ;

两个线程执行相同的代码。只要它们的执行过程不相互交叉，那么两个账户的余额之和将永远是0。但如果发生了交叉，那么某线程就有可能读到新的accnt1值和老的accnt2值，从而导致账户余额数据发生混乱。线程一旦检测到混乱的发生，便终止循环并打印交易的次数(counter)。

请编写出完整的程序代码并运行，然后观察产生混乱需要的时间长短。因为这是我们编写的第一个程序，因此这里我给出了完整的代码，请参考。有能力的同学在参考下面的代码之前，请先自己尝试一下。

#include "stdafx.h"

#include

#include

#include

/**设置两个全局变量, 每个线程都可以访问**/

int accnt1 = 0 ;

int accnt2 = 0 ;

DWORD WINAPI run ( LPVOID p) {

int counter=0; /**循环执行的次数**/

int tmp1,tmp2,r ; /**三个临时变量**/

/** 进入临界区**/

do {

tmp1 = accnt1 ;

tmp2 = accnt2 ;

r = rand ( ) ;

accnt1 = tmp1 + r ;

accnt2 = tmp2 - r ;

counter++;

/**单道运行每次循环后accnt1 + accnt2结果必然为0,

多道运行会失去可再现性，使用得结果不为0 **/

} while ( accnt1 + accnt2 == 0 ) ;

/** 出临界区**/

printf ( "%d\n" , counter ) ;

/** counter表示第几次循环使accnt1 + accnt2结果不为0, 每次运行counter值不同**/

return 0;

}

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

{

/** 创建两个线程并发执行run函数**/

CreateThread (NULL,

0 ,

run ,

NULL,

0 ,

NULL) ;

CreateThread (NULL,

0 ,

run ,

NULL,

0 ,

NULL) ;

system("PAUSE") ;

return 0;

}

反复运行该程序。请问，观察到了什么？你能解释这些现象吗？

2.2利用信号量解决生产者与消费者问题

请编译、运行并观察程序的输出，并分析实验结果，写出实验报告。

#include "stdafx.h"

#include

#include

#include

#include

typedef HANDLE Semaphore; // 信号量的Windows原型

#define Wait(S) WaitForSingleObject(S, INFINITE) // 定义Windows下的Wait(P)操作

#define Signal(S) ReleaseSemaphore(S, 1, NULL) // 定义Windows下的Signal(V)操作#define CONSUMER_NUM 2 /* 消费者个数*/

#define PRODUCER_NUM 2 /* 生产者个数*/

#define BUFFER_NUM 4 /* 缓冲区个数*/

struct Buffer

{

int product[BUFFER_NUM]; // 缓冲区

int pin, pout; // 两个指针

} g_buf;

//定义信号量：g_semBuffer 初值为BUFFER_NUM 表示空缓冲区个数

// g_semProduct 初值为0 表求满缓冲区个数

// g_mutex 缓冲区互斥访问信号量

Semaphore g_semBuffer, g_semProduct, g_mutex;

// 消费者线程

DWORD WINAPI Consumer(LPVOID para)

{

// i表示第i个消费者

int i = *(int *)para;

int ptr; // 待消费的内容的指针

printf("消费者-%03d来啦！\n", i);

while (1)

{

printf("消费者-%03d: 我要消费!\n", i);

// 等待产品

Wait(g_semProduct);

// 有产品，先锁住缓冲区g_buf

Wait(g_mutex);

// 记录消费的物品

ptr = g_buf.pout;

// 再移动缓冲区指针

g_buf.pout = (g_buf.pout+1)%BUFFER_NUM;

// 解锁缓冲区让其他消费者或生产者使用g_buf

Signal(g_mutex);

printf("消费者-%03d: 消费buf[%d] 一个产品\n", i, ptr);

// 消费完毕，并释放一个缓冲

Signal(g_semBuffer);

}

return 0;

}

// 生产者线程

DWORD WINAPI Producer(LPVOID para)

{

int i = *(int *)para - CONSUMER_NUM;

int ptr;

printf("生产者-%03d来啦！\n", i);

while (1)

{

printf("生产者-%03d:生产出一个产品\n", i);

// 等待存放空间

Wait(g_semBuffer);

// 有地方，先锁住缓冲区g_buf

Wait(g_mutex);

// 记录消费的物品

ptr = g_buf.pin;

// 再移动缓冲区指针

g_buf.pin = (g_buf.pin+1)%BUFFER_NUM;

// 让其他消费者或生产者使用g_buf

Signal(g_mutex);

printf("生产者-%03d: 搁到buf[%d]\n", i, ptr);

g_buf.product[ptr] = 2015; // 产品为整型值，在这里我们随意赋一个值

// 放好了完毕，释放一个产品

printf("生产者-%03d: buf[%d]放好了！\n", i, ptr);

Signal(g_semProduct);

}

return 0;

}

using namespace System;

int main(array ^args)

{

// 线程技术，前面为消费者线程，后面为生产者线程

HANDLE hThread[CONSUMER_NUM+PRODUCER_NUM]; // 线程计数

//srand(time());

DWORD tid;

int i=0;

// 初始化信号量

g_mutex = CreateSemaphore(NULL, BUFFER_NUM, BUFFER_NUM, _T("mutexOfConsumerAndProducer"));

g_semBuffer = CreateSemaphore(NULL, BUFFER_NUM, BUFFER_NUM, _T("BufferSemaphone"));

g_semProduct = CreateSemaphore(NULL, 0, BUFFER_NUM, _T("ProductSemaphone"));

if ( !g_semBuffer || !g_semProduct || !g_mutex)

{

printf("Create Semaphone Error!\n");

return -1;

}

int totalThreads = CONSUMER_NUM+PRODUCER_NUM;

// 开启消费者线程

printf("请消费者们就位！\n");

for (i=0; i

{

hThread[i] = CreateThread(NULL, 0, Consumer, &i, 0, &tid);

if ( hThread[i] ) WaitForSingleObject(hThread[i], 10);

}

printf("生产者们就位！\n");

for (; i

{

hThread[i] = CreateThread(NULL, 0, Producer, &i, 0, &tid);

if ( hThread[i] ) WaitForSingleObject(hThread[i], 10);

}

// 生产者和消费者的执行

WaitForMultipleObjects(totalThreads, hThread, TRUE, INFINITE);

return 0;

}