操作系統(tǒng)-創(chuàng)建線程,利用互斥實(shí)現(xiàn)線程共享變量通信

1、 2016-2017學(xué)年度第一學(xué)期大作業(yè)  課程名稱： 操作系統(tǒng)（含課程設(shè)計(jì)） 任課教師： 解 曉 萌 作業(yè)題目： 創(chuàng)建線程，利用互斥實(shí)現(xiàn)線程共享變量通信 姓名： 魯 斌 學(xué) 號(hào)： 201515572013002 專 業(yè)： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 教學(xué)中心： 寶 安 學(xué) 文 聯(lián)系電話：        評(píng)審日期_成績_評(píng)審教師(簽名)_華南理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院 “計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)”課程設(shè)計(jì)大作業(yè) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、題目: 創(chuàng)建線程，利用互斥實(shí)現(xiàn)線程共享變量通信二、目的掌握線程創(chuàng)建和終止，加深對(duì)線程和進(jìn)程概念的理解，

2、會(huì)用同步與互斥方法實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。三、概述：為了確保讀線程讀取到的是經(jīng)過修改的變量，必須在向變量寫入數(shù)據(jù)時(shí)禁止其他線程對(duì)它的任何訪問，直至賦值過程結(jié)束后再解除對(duì)其他線程的訪問限制。這保證了線程了解其他線程任務(wù)處理結(jié)束后的結(jié)果而采取的保護(hù)措施稱為線程同步。從大的方面來講，線程的同步分為用戶模式的線程同步和內(nèi)核對(duì)象的線程同步。用戶模式中線程的同步方法有原子訪問和臨界區(qū)等方法。它的特點(diǎn)是同步速度特別快，適合對(duì)線程運(yùn)行速度有嚴(yán)格要求的場合。內(nèi)核對(duì)象的線程同步由事件、等待定時(shí)器、信號(hào)量以及信號(hào)燈等內(nèi)核對(duì)象構(gòu)成。由于這同步機(jī)制使用了內(nèi)核對(duì)象，使用時(shí)一定要將線程從用戶模式切換到內(nèi)核模式，而這種轉(zhuǎn)換一般要

3、耗費(fèi)近千個(gè)CPU周期，所以同步速度較慢，但適用性卻要遠(yuǎn)優(yōu)于用戶模式的線程臨界區(qū)臨界區(qū)是一段獨(dú)占對(duì)某些共享資源訪問的代碼，在任意時(shí)刻只允許一個(gè)線程對(duì)共享資源進(jìn)行訪問。通過對(duì)多線程的串行化來訪問公共資源或一段代碼，速度快，適合控制數(shù)據(jù)訪問若有多個(gè)線程試圖同時(shí)訪問臨界區(qū)，那么在有一個(gè)線程進(jìn)入后其他所有試圖訪問此臨界區(qū)的線程將被掛起，并一直持續(xù)到進(jìn)入臨界區(qū)的線程離開。臨界區(qū)在被釋放后，其他線程可繼續(xù)搶占，并以此達(dá)到用原子方式操作共享資源的目的。使用臨界區(qū)保持線程同步以下是通過一段代碼說明了臨界區(qū)在保護(hù)多線程訪問共享資源中的作用。通過兩個(gè)線程分別對(duì)全局變量g_cArray10進(jìn)行寫入操作，用臨界區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)

4、象g_cs來保持線程的同步，并在開啟線程前對(duì)它進(jìn)行初始化。為了使實(shí)驗(yàn)效果更明顯，體現(xiàn)出臨界區(qū)的作用，在線程函數(shù)對(duì)共享資源g_cArray10的寫入時(shí)，以Sleep（）函數(shù)延遲1毫秒，令其他線程同它搶占CPU的可能性加大。若不用臨界區(qū)對(duì)它進(jìn)行保護(hù)，則共享資源數(shù)據(jù)將被破壞，但使用臨界區(qū)對(duì)線程保持同步后就可得到正確的結(jié)果。代碼如下：/ 臨界區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)象CRITICAL_SECTION g_cs;/ 共享資源char g_cArray10;UINT ThreadProc10(LPVOID pParam)/ 進(jìn)入臨界區(qū)EnterCriticalSection(&g_cs);/ 對(duì)共享資源進(jìn)行寫入操

5、作for (int i = 0; i < 10; i+)g_cArrayi = 'a'Sleep(1);/ 離開臨界區(qū)LeaveCriticalSection(&g_cs);return 0;UINT ThreadProc11(LPVOID pParam)/ 進(jìn)入臨界區(qū)EnterCriticalSection(&g_cs);/ 對(duì)共享資源進(jìn)行寫入操作for (int i = 0; i < 10; i+)g_cArray10 - i - 1 = 'b'Sleep(1);/ 離開臨界區(qū)LeaveCriticalSection(&g

6、_cs);return 0;/ 臨界區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)象CRITICAL_SECTION g_cs;/ 共享資源 char g_cArray10;UINT ThreadProc10(LPVOID pParam)/ 進(jìn)入臨界區(qū)EnterCriticalSection(&g_cs);/ 對(duì)共享資源進(jìn)行寫入操作for (int i = 0; i < 10; i+)g_cArrayi = 'a'Sleep(1);/ 離開臨界區(qū)LeaveCriticalSection(&g_cs);return 0;UINT ThreadProc11(LPVOID pParam)/ 進(jìn)入臨界

7、區(qū)EnterCriticalSection(&g_cs);/ 對(duì)共享資源進(jìn)行寫入操作for (int i = 0; i < 10; i+)g_cArray10 - i - 1 = 'b'Sleep(1);/ 離開臨界區(qū)LeaveCriticalSection(&g_cs);return 0;void CSample08View:OnCriticalSection()/ 初始化臨界區(qū)InitializeCriticalSection(&g_cs);/ 啟動(dòng)線程AfxBeginThread(ThreadProc10, NULL);AfxBeginThr

8、ead(ThreadProc11, NULL);/ 等待計(jì)算完畢Sleep(300);/ 報(bào)告計(jì)算結(jié)果CString sResult = CString(g_cArray);AfxMessageBox(sResult);信號(hào)量內(nèi)核對(duì)象信號(hào)量內(nèi)核，允許多個(gè)線程在同一時(shí)刻訪問同一資源，但需限制在同一時(shí)刻訪問此資源的最大線程數(shù)目。在用CreateSemaphore（）創(chuàng)建信號(hào)量時(shí)應(yīng)要同時(shí)指出允許的最大資源計(jì)數(shù)和當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)。一般將當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)設(shè)為最大資源計(jì)數(shù)，每增一個(gè)線程對(duì)共享資源的訪問，當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)就減1，只要當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)大于0的，就可發(fā)出信號(hào)量信號(hào)。但當(dāng)前可用計(jì)數(shù)減小到0時(shí)則說明

9、當(dāng)前占用資源的線程數(shù)已達(dá)到了所允許的最大數(shù)目，不能在允許其他線程的進(jìn)入，這時(shí)的信號(hào)量信號(hào)將無法發(fā)出。線程在處理完共享資源后，應(yīng)在離開的同時(shí)通過ReleaseSemaphore（）函數(shù)將當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)加1。在任何時(shí)候當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)決不能大于最大資源計(jì)數(shù)。使用信號(hào)量內(nèi)核對(duì)象進(jìn)行線程同步主要會(huì)用到OpenSemaphore（）、ReleaseSemaphore（）、 CreateSemaphore（）、WaitForMultipleObjects（）和WaitForSingleObject（）等函數(shù)。其中，CreateSemaphore（）是用來創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量內(nèi)核對(duì)象，其函數(shù)原型為：HANDLE

10、 CreateSemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, / 安全屬性指針LONG lInitialCount, / 初始計(jì)數(shù)LONG lMaximumCount, / 最大計(jì)數(shù)LPCTSTR lpName / 對(duì)象名指針);參數(shù)lMaximumCount是一個(gè)有符號(hào)32位值，定義了允許的最大資源計(jì)數(shù)，最大取值不超過4294967295。lpName參數(shù)可為創(chuàng)建的信號(hào)量定義一個(gè)名字，由于其創(chuàng)建的是一個(gè)內(nèi)核對(duì)象，所以在其他進(jìn)程中可通過該名字而得到此信號(hào)量。OpenSemaphore（）函數(shù)即可用來根據(jù)信號(hào)量名打開在其他進(jìn)程中創(chuàng)建的

11、信號(hào)量，函數(shù)原型如下：HANDLE OpenSemaphore(DWORD dwDesiredAccess, / 訪問標(biāo)志BOOL bInheritHandle, / 繼承標(biāo)志LPCTSTR lpName / 信號(hào)量名);在線程離開對(duì)共享資源的處理時(shí)，一定要通過ReleaseSemaphore（）來增加當(dāng)前可用資源計(jì)數(shù)。否則將會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前正在處理共享資源的實(shí)際線程數(shù)并不能達(dá)到要限制的數(shù)值，而其他線程卻因?yàn)楫?dāng)前可用資源計(jì)數(shù)為0但仍無法進(jìn)入的情況。ReleaseSemaphore（）的函數(shù)原型為：BOOL ReleaseSemaphore(HANDLE hSemaphore, / 信號(hào)量句柄LONG

12、 lReleaseCount, / 計(jì)數(shù)遞增數(shù)量LPLONG lpPreviousCount / 先前計(jì)數(shù));互斥是用途廣泛的內(nèi)核對(duì)象。能保證多個(gè)線程對(duì)同一共享資源的互斥訪問。只有擁有互斥對(duì)象的線程才具有訪問資源的權(quán)限，由于互斥對(duì)象只有一個(gè)，所以就決定了無論在什么情況下，這共享資源都不會(huì)同時(shí)被多個(gè)線程所訪問。當(dāng)前占據(jù)資源的線程在任務(wù)處理完后應(yīng)將擁有的互斥對(duì)象交出，便于其他線程在獲得后得以訪問資源?；コ鈱?duì)象在操作系統(tǒng)中擁有特殊代碼，并由操作系統(tǒng)來管理，操作系統(tǒng)甚至還允許它進(jìn)行一些其他內(nèi)核對(duì)象不能進(jìn)行的非常規(guī)操作。為了便于理解，可參照互斥內(nèi)核用互斥內(nèi)核對(duì)象來保持線程同步可能用到的函數(shù)有OpenMu

13、tex（）、ReleaseMutex（）、CreateMutex（）、WaitForSingleObject（）和WaitForMultipleObjects（）等。在使用互斥對(duì)象前，首先要通過CreateMutex（）或OpenMutex（）創(chuàng)建或打開一個(gè)互斥對(duì)象。CreateMutex（）函數(shù)原型為：/ 互斥對(duì)象HANDLE hMutex = NULL;har g_cArray10;UINT ThreadProc18(LPVOID pParam)/ 等待互斥對(duì)象通知WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);/ 對(duì)共享資源進(jìn)行寫入操作for (int i =

14、 0; i < 10; i+)g_cArrayi = 'a'Sleep(1);/ 釋放互斥對(duì)象ReleaseMutex(hMutex);return 0;UINT ThreadProc19(LPVOID pParam)/ 等待互斥對(duì)象通知WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);/ 對(duì)共享資源進(jìn)行寫入操作for (int i = 0; i < 10; i+)g_cArray10 - i - 1 = 'b'Sleep(1);/ 釋放互斥對(duì)象ReleaseMutex(hMutex);return 0;void CSamp

15、le08View:OnMutex() / 創(chuàng)建互斥對(duì)象hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);/ 啟動(dòng)線程AfxBeginThread(ThreadProc18, NULL);AfxBeginThread(ThreadProc19, NULL);/ 等待計(jì)算完畢Sleep(300);/ 報(bào)告計(jì)算結(jié)果CString sResult = CString(g_cArray);AfxMessageBox(sResult);/ MFC互斥類對(duì)象CMutex g_clsMutex(FALSE, NULL);UINT ThreadProc27(LPVOID pPara

16、m)/ 等待互斥對(duì)象通知g_clsMutex.Lock();/ 對(duì)共享資源進(jìn)行寫入操作for (int i = 0; i < 10; i+)g_cArrayi = 'a'Sleep(1);/ 釋放互斥對(duì)象g_clsMutex.Unlock();return 0;UINT ThreadProc28(LPVOID pParam)/ 等待互斥對(duì)象通知g_clsMutex.Lock();/ 對(duì)共享資源進(jìn)行寫入操作for (int i = 0; i < 10; i+)g_cArray10 - i - 1 = 'b'Sleep(1);/ 釋放互斥對(duì)象g_clsMutex.Unlock();return 0;void CSample08View:OnMutexMfc()/ 啟動(dòng)線程AfxBeginThread(ThreadProc27, NULL);AfxBeginThread(ThreadProc28, NULL);/ 等待計(jì)算完畢Sleep(300);/ 報(bào)告計(jì)算結(jié)果CString sResult =