操作系统课程设计__用多线程同步方法解决生产者

临界区管理实现 本组组员：周琪皓，董泉伟，钟佳锋，张倬慎 0 引言

随着多处理机体系结构的演变和分布式与并行系统的发展，并发多任务的程序设计技术已愈来愈显得重要，多线程设计模式在这些技术的发展中起着重要作用。在现代操作系统中，利用进(线)程间的并发性实现程序中并发成分的并行执行，可大大提高系统的处理能力和效率，但也可能带来诸如执行结果的不确定性等不良现象，因此并发系统中处理好进(线)程间的互斥与同步就显得至关重要。C++语言中的多线程机制是解决线程间的互斥与同步问题的重要工具，其应用(如网络多媒体应用、工业自动化控制等)很广泛，很复杂且常易出错。因此在应用程序设计过程中，要考虑多个线程如何同步使用进程的共享资源，如何让一个线程与另一个线程协调合作，以免产生线程间的访问冲突。语言提供的多线程机制能有避免同一共享互斥资源被多个线程同时访问，维护数据的一致性、安全性。生产者/消费者问题可作为并发进程的同步和互斥问题的一个抽象模型，广泛应用于通信和控制系统中。本文基于C++语言中的多线程机制，实现操作系统中生产者/消费者问题，以助人们更好地透解同步概念及其实现方法。

1 课程设计目的

通过模拟操作者生产者经典问题的实现，以及关于信号量和互斥锁对于多线程的运用，深入理解操作系统中多线程同步法的理论知识, 加深对教材中的重要算法的理解。同时通过编程实现这些算法,更好地掌握操作系统的原理及实现方法,提高综合运用各专业课知识的能力。 2 课程设计题目和要求 2.1 课程设计题目 题目: 临界区管理实现. 2.2课程设计目的与要求 初始条件： 1.操作系统：Windows 2.程序设计语言：C++语言 3.有界缓冲区内设有20个存储单元，其初值为0。放入／取出的数据项按增序设定为1－20这20个整型数。

技术要求： 1、 生产者和消费者各有两个以上。多个生产者或

多个消费者之间须有共享对缓冲区进行操作 的函数代码。每个生产者和消费者对有界缓冲 区进行操作后，即时显示有界缓冲区的全部内 容，当前指针位置。 2、 编写多线程同步方法解决生产者-消费者的程 序，并完成对进程进行模拟同步和互斥的控制。 2 设计总体思路

2.1 多线程编程思想 编写Windows下的多线程程序，需要使用头文件pthread.h以及windows.h.在LINUX下进行多线程编程首先要用到CreateThread()这个函数.函数CreateThread()用来创建一个线程，它的原型为： HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, // pointer to security attributes DWORD dwStackSize, // initial thread stack size LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, // pointer to thread function LPVOID lpParameter, // argument for new thread DWORD dwCreationFlags, // creation flags LPDWORD lpThreadId); // pointer to receive thread ID 第一个参数是指向SECURITY_ATTRIBUTES型态的结构的指针。在Windows 98中忽略该参数。在Windows NT中，它被设为NULL。 第二个参数是用于新线程的初始堆栈大小，默认值为0。在任何情况下，Windows根据需要动态延长堆栈的大小。 第三个参数是指向线程函数的指标。函数名称没有限制，但是必须以下列形式声明： DWORD WINAPI ThreadProc (PVOID pParam) ; 第四个参数为传递给ThreadProc的参数。这样主线程和从属线程就可以共享数据。 第五个参数通常为0，但当建立的线程不马上执行时为旗标CREATE_SUSPENDED。线程将暂停直到呼叫ResumeThread来恢复线程的执行为止。 第六个参数是一个指标，指向接受执行绪ID值的变量。

2.1.1线程数据 在单线程的程序里，有两种基本的数据：全局变量和局部变量。但在多线程程序里，还有第三种数据类型：线程数据。它和全局变量很象，在线程内部，各个函数可以象使用全局变量一样调用它，但它对线程外部的其它线程是不可见的。这种数据的必要性是显而易见的。例如我们常见的变量errno，它返回标准的出错信息。它显然不能是一个局部变量，几乎每个函数都应该可以调用它；但它又不能是一个全局变量，否则在A线程里输出的很可能是B线程的出错信息。 ThreadHandle[0]=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producer1)其六个参数分别表示为安全设置，堆栈大小，入口函数，函数参数，启动选项，输出线程 ID，返回线程句柄。 2.1.2 互斥锁 互斥锁用来保证一段时间内只有一个线程在执行一段代码，必要性显而易见：假设各个线程向同一个文件顺序写入数据，最后得到的结果一定是灾难性的.函数mutex = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);用来生成一个互斥锁.NULL参数表明使用默认属性.如果需要声明特定属性的互斥锁，须调用函数 CreateMutex(NULL,FALSE,NULL) WaitForSingleObject(mutex,INFINITE)声明开始用互斥锁上锁，直至调用ReleaseMutex(mutex)为止，均被上锁， 即同一时间只能被一个线程调用执行.当一个线程执行到pthread_mutex_lock处时，如果该锁此时被另一个线程使用，那么此线程被阻塞，即程序将等待到另一个线程释放此互斥锁.

2.1.3 信号量 信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问。当公共资源增加时，调用函数aitForSingleObject(empty,INFINITE)增加信号量。只有当信号量值大于０时，才能使用公共资源，使用后，函数WaitForSingleObject(full,INFINITE)减少信号量。 函数 ReleaseSemaphore(full,1,NULL)用来增加信号量的值。当有线程阻塞在这个信号量上时，调用这个函数会使其中的一个线程不在阻塞，选择机制同样是由线程的调度策略决定的。函数ReleaseSemaphor()用来释放信号量。

2.2 设计原理 生产者线程和消费者线程共享同一个缓冲队列，生产者线程向缓冲区中写数据，消费者线程从缓冲区中取数据。但两者必须在使用缓冲队列资源时保持互斥，否则可能会导致在写入时产生数据覆盖，在读出时得到错误数据。因而要在程序中设置一个互斥锁或公用信号量，用于保证线程间的互斥执行。同时生产者线程和消费者线程必须保持同步关系，因为生产者线程的执行为消费者线程提供了需要的数据，是其执行的前提。反之，消费者线程的执行为生产者线程腾出了空闲的缓冲单元，为写数据提供了条件。即消费者线程执行的前提：缓冲队列中至少有一个单元有数据；生产者线程执行的前提：缓冲队列中至少有一个单元是空的。在设计过程中，利用信号量和wait 、signal原语操作来实现。如图1所示：

图1 生产者、消费者共享有界缓冲区 2.3 原语操作实现 The structure of the producer process

do { // 生产产品 wait (empty); wait (mutex); // 往Buffer中放入产品 signal (mutex); signal (full); } while (true); The structure of the consumer process

do { wait (full); wait (mutex); // 从Buffer中取出产品 signal (mutex); signal (empty); // 消费产品 } while (true);

3 开发环境与工具

系统平台：Windows环境 实现语言：C++语言 开发工具：Vs2012

4 概要设计

4.1 数据结构设计 通过分析课程设计要求，具体设计出如下数据结构: 1. int buffer[20]={0};//定义缓冲区空间大小 2.包含数据结构pthread_t 它记录一个线程的号，主要包括下面几个函数，完成不同的功能： ThreadHandle[0]=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producer1); //创建一个线程。 ExitThread(0); CloseHandle(ThreadHandle[0]);

//等待一个线程结束。 4.2 程序模块实现

4.2.1 生产者（Producer）模块 生产者线程向一缓冲区中写入数据，且写入缓冲区的数目不能超过缓冲区容量。当生产者产生出数据，需要将其存入缓冲区之前，首先检查缓冲区中是否有“空”存储单元，若缓冲区存储单元全部用完，则生产者必须阻塞等待，直到消费者取走一个存储单元的数据，唤醒它。若缓冲区内有“空”存储单元，生产者需要判断此时是否有别的生产者或消费者正在使用缓冲区，若是有，则阻塞等待，否则，获得缓冲区的使用权，将数据存入缓冲区，释放缓冲区的使用权，其流程图如图2所示：