操作系統(tǒng)課程設計--臨界區(qū)管理實現(xiàn)

1、<p><b>　　臨界區(qū)管理實現(xiàn)</b></p><p><b>　　0 引言</b></p><p>　　隨著多處理機體系結構的演變和分布式與并行系統(tǒng)的發(fā)展，并發(fā)多任務的程序設計技術已愈來愈顯得重要，多線程設計模式在這些技術的發(fā)展中起著重要作用。在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，利用進(線)程間的并發(fā)性實現(xiàn)程序中并發(fā)成分的并行執(zhí)行，可大大提高系統(tǒng)的

2、處理能力和效率，但也可能帶來諸如執(zhí)行結果的不確定性等不良現(xiàn)象，因此并發(fā)系統(tǒng)中處理好進(線)程間的互斥與同步就顯得至關重要。C++語言中的多線程機制是解決線程間的互斥與同步問題的重要工具，其應用(如網(wǎng)絡多媒體應用、工業(yè)自動化控制等)很廣泛，很復雜且常易出錯。因此在應用程序設計過程中，要考慮多個線程如何同步使用進程的共享資源，如何讓一個線程與另一個線程協(xié)調(diào)合作，以免產(chǎn)生線程間的訪問沖突。語言提供的多線程機制能有避免同一共享互斥資源被多個線程

3、同時訪問，維護數(shù)據(jù)的一致性、安全性。生產(chǎn)者/消費者問題可作為并發(fā)進程的同步和互斥問題的一個抽象模型，廣泛應用于通信和控制系統(tǒng)中。本文基于C++語言中的多線程機制，實現(xiàn)操作系統(tǒng)中生產(chǎn)者/消費者問題，以助人們更好地透解同步概念及其實現(xiàn)方法。</p><p><b>　　1 課程設計目的</b></p><p>　　通過模擬操作者生產(chǎn)者經(jīng)典問題的實現(xiàn)，以及關于信號量和互斥鎖

4、對于多線程的運用，深入理解操作系統(tǒng)中多線程同步法的理論知識, 加深對教材中的重要算法的理解。同時通過編程實現(xiàn)這些算法,更好地掌握操作系統(tǒng)的原理及實現(xiàn)方法,提高綜合運用各專業(yè)課知識的能力。</p><p>　　2 課程設計題目和要求</p><p>　　2.1 課程設計題目</p><p>　　題目: 臨界區(qū)管理實現(xiàn).</p><p>　　2.

5、2課程設計目的與要求</p><p><b>　　初始條件：</b></p><p>　　1.操作系統(tǒng)：Windows</p><p>　　2.程序設計語言：C++語言</p><p>　　3.有界緩沖區(qū)內(nèi)設有20個存儲單元，其初值為0。放入／取出的數(shù)據(jù)項按增序設定為1－20這20個整型數(shù)。</p><

6、;p><b>　　技術要求：</b></p><p>　　1、 生產(chǎn)者和消費者各有兩個以上。多個生產(chǎn)者或</p><p>　　多個消費者之間須有共享對緩沖區(qū)進行操作</p><p>　　的函數(shù)代碼。每個生產(chǎn)者和消費者對有界緩沖</p><p>　　區(qū)進行操作后，即時顯示有界緩沖區(qū)的全部內(nèi)</p>&l

7、t;p><b>　　容，當前指針位置。</b></p><p>　　2、 編寫多線程同步方法解決生產(chǎn)者-消費者的程</p><p>　　序，并完成對進程進行模擬同步和互斥的控制。</p><p><b>　　2 設計總體思路</b></p><p>　　2.1 多線程編程思想</p>

8、;<p>　　編寫Windows下的多線程程序，需要使用頭文件pthread.h以及windows.h.在LINUX下進行多線程編程首先要用到CreateThread()這個函數(shù).函數(shù)CreateThread()用來創(chuàng)建一個線程，它的原型為：</p><p>　　HANDLE CreateThread(</p><p>　　LPSECURITY_ATTRIBUTES lpTh

9、readAttributes, </p><p>　　// pointer to security attributes</p><p>　　DWORD dwStackSize,</p><p>　　// initial thread stack size</p><p>　　LPTHREAD_START_ROUTINE lpStar

10、tAddress, </p><p>　　// pointer to thread function</p><p>　　LPVOID lpParameter,</p><p>　　// argument for new thread</p><p>　　DWORD dwCreationFlags,</p><p>　

11、　// creation flags</p><p>　　LPDWORD lpThreadId);</p><p>　　// pointer to receive thread ID</p><p>　　第一個參數(shù)是指向SECURITY_ATTRIBUTES型態(tài)的結構的指針。在Windows 98中忽略該參數(shù)。在Windows NT中，它被設為NULL。第二個參數(shù)

12、是用于新線程的初始堆棧大小，默認值為0。在任何情況下，Windows根據(jù)需要動態(tài)延長堆棧的大小。第三個參數(shù)是指向線程函數(shù)的指標。函數(shù)名稱沒有限制，但是必須以下列形式聲明：DWORD WINAPI ThreadProc (PVOID pParam) ;第四個參數(shù)為傳遞給ThreadProc的參數(shù)。這樣主線程和從屬線程就可以共享數(shù)據(jù)。第五個參數(shù)通常為0，但當建立的線程不馬上執(zhí)行時為旗標CREATE_SUSPENDED。線程將暫停直到

13、呼叫ResumeThread來恢復線程的執(zhí)行為止。第六個參數(shù)是一個指標，指向接受執(zhí)行緒ID值的變量。</p><p><b>　　2.1.1線程數(shù)據(jù)</b></p><p>　　在單線程的程序里，有兩種基本的數(shù)據(jù)：全局變量和局部變量。但在多線程程序里，還有第三種數(shù)據(jù)類型：線程數(shù)據(jù)。它和全局變量很象，在線程內(nèi)部，各個函數(shù)可以象使用全局變量一樣調(diào)用它，但它對線程外部的其

14、它線程是不可見的。這種數(shù)據(jù)的必要性是顯而易見的。例如我們常見的變量errno，它返回標準的出錯信息。它顯然不能是一個局部變量，幾乎每個函數(shù)都應該可以調(diào)用它；但它又不能是一個全局變量，否則在A線程里輸出的很可能是B線程的出錯信息。</p><p>　　ThreadHandle[0]=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producer1)其六個參數(shù)分別表示為安全設置，堆

15、棧大小，入口函數(shù)，函數(shù)參數(shù)，啟動選項，輸出線程 ID，返回線程句柄。</p><p><b>　　2.1.2 互斥鎖</b></p><p>　　互斥鎖用來保證一段時間內(nèi)只有一個線程在執(zhí)行一段代碼，必要性顯而易見：假設各個線程向同一個文件順序?qū)懭霐?shù)據(jù)，最后得到的結果一定是災難性的.函數(shù)mutex = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);用來生成一

16、個互斥鎖.NULL參數(shù)表明使用默認屬性.如果需要聲明特定屬性的互斥鎖，須調(diào)用函數(shù) CreateMutex(NULL,FALSE,NULL)</p><p>　　WaitForSingleObject(mutex,INFINITE)聲明開始用互斥鎖上鎖，直至調(diào)用ReleaseMutex(mutex)為止，均被上鎖，</p><p>　　即同一時間只能被一個線程調(diào)用執(zhí)行.當一個線

17、程執(zhí)行到pthread_mutex_lock處時，如果該鎖此時被另一個線程使用，那么此線程被阻塞，即程序?qū)⒌却搅硪粋€線程釋放此互斥鎖.</p><p><b>　　2.1.3 信號量</b></p><p>　　信號量本質(zhì)上是一個非負的整數(shù)計數(shù)器，它被用來控制對公共資源的訪問。當公共資源增加時，調(diào)用函數(shù)aitForSingleObject(empty,INFINIT

18、E)增加信號量。只有當信號量值大于０時，才能使用公共資源，使用后，函數(shù)WaitForSingleObject(full,INFINITE)減少信號量。</p><p>　　函數(shù) ReleaseSemaphore(full,1,NULL)用來增加信號量的值。當有線程阻塞在這個信號量上時，調(diào)用這個函數(shù)會使其中的一個線程不在阻塞，選擇機制同樣是由線程的調(diào)度策略決定的。函數(shù)ReleaseSemaphor()用來釋放信號量

19、。</p><p><b>　　2.2 設計原理</b></p><p>　　生產(chǎn)者線程和消費者線程共享同一個緩沖隊列，生產(chǎn)者線程向緩沖區(qū)中寫數(shù)據(jù)，消費者線程從緩沖區(qū)中取數(shù)據(jù)。但兩者必須在使用緩沖隊列資源時保持互斥，否則可能會導致在寫入時產(chǎn)生數(shù)據(jù)覆蓋，在讀出時得到錯誤數(shù)據(jù)。因而要在程序中設置一個互斥鎖或公用信號量，用于保證線程間的互斥執(zhí)行。同時生產(chǎn)者線程和消費者線程必

20、須保持同步關系，因為生產(chǎn)者線程的執(zhí)行為消費者線程提供了需要的數(shù)據(jù)，是其執(zhí)行的前提。反之，消費者線程的執(zhí)行為生產(chǎn)者線程騰出了空閑的緩沖單元，為寫數(shù)據(jù)提供了條件。即消費者線程執(zhí)行的前提：緩沖隊列中至少有一個單元有數(shù)據(jù)；生產(chǎn)者線程執(zhí)行的前提：緩沖隊列中至少有一個單元是空的。在設計過程中，利用信號量和wait 、signal原語操作來實現(xiàn)。如圖1所示：</p><p>　　圖1 生產(chǎn)者、消費者共享有界緩沖區(qū)</p&

21、gt;<p>　　2.3 原語操作實現(xiàn)</p><p>　　The structure of the producer process</p><p><b>　　do {</b></p><p><b>　　// 生產(chǎn)產(chǎn)品</b></p><p>　　wait (empty);<

22、;/p><p>　　wait (mutex);</p><p>　　// 往Buffer中放入產(chǎn)品</p><p>　　signal (mutex);</p><p>　　signal (full);</p><p>　　} while (true);</p><p>　　The structur

23、e of the consumer process</p><p><b>　　do {</b></p><p>　　wait (full);</p><p>　　wait (mutex);</p><p>　　// 從Buffer中取出產(chǎn)品</p><p>　　signal (mutex);&l

24、t;/p><p>　　signal (empty);</p><p><b>　　// 消費產(chǎn)品</b></p><p>　　} while (true);</p><p><b>　　3 開發(fā)環(huán)境與工具</b></p><p>　　系統(tǒng)平臺：Windows環(huán)境</p>

25、;<p>　　實現(xiàn)語言：C++語言</p><p>　　開發(fā)工具：Vs2012</p><p><b>　　4 概要設計</b></p><p>　　4.1 數(shù)據(jù)結構設計</p><p>　　通過分析課程設計要求，具體設計出如下數(shù)據(jù)結構:</p><p>　　1. int buffe

26、r[20]={0};//定義緩沖區(qū)空間大小</p><p>　　2.包含數(shù)據(jù)結構pthread_t 它記錄一個線程的號，主要包括下面幾個函數(shù)，完成不同的功能：</p><p>　　ThreadHandle[0]=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producer1); //創(chuàng)建一個線程。</p><p>　　Exit

27、Thread(0);</p><p>　　CloseHandle(ThreadHandle[0]);</p><p>　　//等待一個線程結束。</p><p>　　4.2 程序模塊實現(xiàn)</p><p>　　4.2.1 生產(chǎn)者（Producer）模塊 </p><p>　　生產(chǎn)者線程向一緩沖區(qū)中寫入數(shù)據(jù)，且寫入緩沖區(qū)的

28、數(shù)目不能超過緩沖區(qū)容量。當生產(chǎn)者產(chǎn)生出數(shù)據(jù)，需要將其存入緩沖區(qū)之前，首先檢查緩沖區(qū)中是否有“空”存儲單元，若緩沖區(qū)存儲單元全部用完，則生產(chǎn)者必須阻塞等待，直到消費者取走一個存儲單元的數(shù)據(jù)，喚醒它。若緩沖區(qū)內(nèi)有“空”存儲單元，生產(chǎn)者需要判斷此時是否有別的生產(chǎn)者或消費者正在使用緩沖區(qū)，若是有，則阻塞等待，否則，獲得緩沖區(qū)的使用權，將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，釋放緩沖區(qū)的使用權，其流程圖如圖2所示：</p><p><b&

29、gt;　　圖2 生產(chǎn)者流程圖</b></p><p><b>　　//生產(chǎn)者線程</b></p><p>　　DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　do{</b>

30、</p><p>　　WaitForSingleObject(empty,INFINITE); //空緩沖區(qū)減1</p><p>　　WaitForSingleObject(mutex,INFINITE); //信號量上鎖</p><p>　　buffer[in]=in+1; //往Buffer中放入產(chǎn)品</p>&l

31、t;p>　　in=(in+1)%BUFFER_SIZE; </p><p>　　//放入指針調(diào)整，為下次送出做準備</p><p>　　printAll();</p><p>　　ReleaseMutex(mutex); //信號量解鎖</p><p>　　ReleaseSemaphore(full,1,NULL);

32、 </p><p>　　//滿緩沖區(qū)加1，即當公共資源增加時，調(diào)用函數(shù)ReleaseSemaphore（）增加信號量</p><p>　　}while(1);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.2.2 消費者(Consumer)模塊 </p><p>　　消費者線程

33、從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，且消費者讀取的數(shù)目不能超過生產(chǎn)者寫入的數(shù)目。消費者取數(shù)據(jù)之前，首先檢查緩沖區(qū)中是否存在裝有數(shù)據(jù)的存儲單元，若緩沖區(qū)為“空”，則阻塞等待，否則，判斷緩沖區(qū)是否正在被使用，若正被使用，若正被使用，則阻塞等待，否則，獲得緩沖區(qū)的使用權，進入緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)，釋放緩沖區(qū)的使用權。其執(zhí)行流程如圖3所示：</p><p><b>　　圖3 消費者流程圖</b></p>&l

34、t;p><b>　　//消費者線程</b></p><p>　　DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　do{</b></p><p>　　WaitForSingleOb

35、ject(full,INFINITE); //滿緩沖區(qū)減1</p><p>　　WaitForSingleObject(mutex,INFINITE); //信號量上鎖</p><p>　　buffer[out]=0; //從Buffer中取出產(chǎn)品</p><p>　　out=(out+1)%BUFFER_SIZE; //取

36、指針調(diào)整，為下次取做準備</p><p>　　printAll();</p><p>　　ReleaseMutex(mutex); //信號量解鎖</p><p>　　ReleaseSemaphore(empty,1,NULL); //空緩沖區(qū)加1</p><p>　　}while(1);</p><p&g

37、t;<b>　　}</b></p><p><b>　　5 詳細設計</b></p><p><b>　　5.1 源程序代碼</b></p><p>　　#include<iostream></p><p>　　#include <stdio.h><

38、;/p><p>　　#include <pthread.h></p><p>　　#include <semaphore.h></p><p>　　#include <windows.h></p><p>　　using namespace std;</p><p>　　DWORD WI

39、NAPI Producer(LPVOID);</p><p>　　DWORD WINAPI Consumer(LPVOID);</p><p>　　#define WINAPI_stdcall </p><p>　　#define THREAD_NUM 20</p><p>　　#define BUFFER_SIZE 20 //20

40、個緩沖區(qū)</p><p>　　int buffer[20]={0};</p><p>　　HANDLE empty;</p><p>　　HANDLE full;</p><p>　　HANDLE mutex; //for mutual exclusion進程信號量</p><p>　　int in=0

41、; //point to the next free positon</p><p>　　int out=0; //point to the first full positon</p><p>　　//把所有的緩沖區(qū)輸出到屏幕上</p><p>　　void printAll(){</p><p>&l

42、t;b>　　int i;</b></p><p>　　for(i=0;i<20;i++)</p><p>　　cout<<i<<" ";</p><p>　　cout<<endl；</p><p>　　cout<<"current produ

43、cer pointer:"<<in<<endl;</p><p>　　cout<<"current consumer pointer:"<<out<<endl;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//生產(chǎn)者線程&

44、lt;/b></p><p>　　DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　do{</b></p><p>　　WaitForSingleObject(empty,INFINITE);

45、 //空緩沖區(qū)減1</p><p>　　WaitForSingleObject(mutex,INFINITE); //信號量上鎖</p><p>　　buffer[in]=in+1; //往Buffer中放入產(chǎn)品</p><p>　　in=(in+1)%BUFFER_SIZE; </p><p>　　//放

46、入指針調(diào)整，為下次送出做準備</p><p>　　printAll();</p><p>　　ReleaseMutex(mutex); //信號量解鎖</p><p>　　ReleaseSemaphore(full,1,NULL); </p><p>　　//滿緩沖區(qū)加1，即當公共資源增加時，調(diào)用函數(shù)ReleaseSemaphore

47、（）增加信號量</p><p>　　}while(1);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//消費者線程</b></p><p>　　DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara)</p><p><b>

48、;　　{</b></p><p><b>　　do{</b></p><p>　　WaitForSingleObject(full,INFINITE); //滿緩沖區(qū)減1</p><p>　　WaitForSingleObject(mutex,INFINITE); //信號量上鎖</p><p

49、>　　buffer[out]=0; //從Buffer中取出產(chǎn)品</p><p>　　out=(out+1)%BUFFER_SIZE; //取指針調(diào)整，為下次取做準備</p><p>　　printAll();</p><p>　　ReleaseMutex(mutex); //信號量解鎖</p><p>

50、　　ReleaseSemaphore(empty,1,NULL); //空緩沖區(qū)加1</p><p>　　}while(1);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//主線程</b></p><p>　　int main()</p><p&g

51、t;　　{ //創(chuàng)建進程</p><p>　　DWORD producer[THREAD_NUM],consumer[THREAD_NUM];</p><p>　　mutex = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); // 用默認屬性初始化一個互斥變量mutex</p><p>　　HANDLE ThreadHandle[

52、THREAD_NUM];</p><p><b>　　// 初始化信號量</b></p><p>　　full=CreateSemaphore(NULL,0,10,NULL);</p><p>　　empty=CreateSemaphore(NULL,10,10,NULL);</p><p>　　//CreateThre

53、ade函數(shù)用來創(chuàng)建生產(chǎn)者和消費者進程，其六個參數(shù)分別表示為安全設置，堆棧大小，入口函數(shù)，函數(shù)參數(shù)，啟動選項，輸出線程 ID，返回線程句柄</p><p>　　for(int i=0;i<THREAD_NUM;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　ThreadHandle[i] = CreateThread(

54、NULL,0,Producer,NULL,0,&producer[i]);</p><p>　　ThreadHandle[i] = CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumer[i]);</p><p>　　ThreadHandle[i+1] = CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&

55、producer[i+1]);</p><p>　　ThreadHandle[i+1] = CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumer[i+1]);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>

56、;　　6 程序運行結果及分析</p><p><b>　　6.1 運行結果</b></p><p>　　進入Windows開發(fā)環(huán)境后，通過Vs2012編輯器在其中編寫。進入Vs2012的命令，對程序執(zhí)行編譯運行命令后，即可在屏幕上顯示出程序運行的結果，其運行結果如下圖5所示：</p><p><b>　　7 總結</b>&

57、lt;/p><p>　　其實在做這道題目時花費了好長時間，第一點是書上大多介紹的是關于UNIX系統(tǒng)下的消費者生產(chǎn)者線程問題，因此一開始調(diào)試不出來，后來查閱了有一些資料知道要在windows平臺下運行必須要導入<pthread.h>以及<windows.h>兩個庫。</p><p>　　通過這次課程設計,不但加深了對操作系統(tǒng)這們課程的認識,而且還了解了操作系統(tǒng)中使用信號量

58、解決生產(chǎn)者—消費者問題算法的實現(xiàn)。比如：用信號量解決生產(chǎn)者—消費者問題時，可以通過一個有界緩沖區(qū)(用數(shù)組來實現(xiàn)，類似循環(huán)隊列)把生產(chǎn)者和消費者聯(lián)系起來。假定生產(chǎn)者和消費者的優(yōu)先級是相同的，只要緩沖區(qū)未滿，生產(chǎn)者就可以生產(chǎn)產(chǎn)品并將產(chǎn)品送入緩沖區(qū)。類似地，只要緩沖區(qū)未空，消費者就可以從緩沖區(qū)中去走產(chǎn)品并消費它。為了解決生產(chǎn)者/消費者問題，應該設置兩個資源信號量，其中一個表示空緩沖區(qū)的數(shù)目，用full表示，其初始值為有界緩沖區(qū)的大??；另一個表

59、示緩沖區(qū)中產(chǎn)品的數(shù)目，用empty表示，其初始值為0。另外，由于有界緩沖區(qū)是一個臨界資源，必須互斥使用，所以還需要再設置一個互斥信號量mutex，起初值為1。在生產(chǎn)者/消費者問題中，信號量實現(xiàn)兩種功能。首先，它是生產(chǎn)產(chǎn)品和消費產(chǎn)品的計數(shù)器，計數(shù)器的初始值是可利用的資源數(shù)目(有界緩沖區(qū)的長度)。其次，它是確保產(chǎn)品的生產(chǎn)者和消費者之間動作同步的同步器。</p><p>　　生產(chǎn)者要生產(chǎn)一個產(chǎn)品時，首先對資源信號量fu

60、ll和互斥信號量mute進行操作，申請資源。如果可以通過的話，就生產(chǎn)一個產(chǎn)品，并把產(chǎn)品送入緩沖區(qū)。然后對互斥信號量mutex和資源信號量empty進行操作，釋放資源。消費者要消費一個產(chǎn)品時，首先對資源信號量empty和互斥信號量mutex進行操作，申請資源。如果可以通過的話，就從緩沖區(qū)取出一個產(chǎn)品并消費掉。然后對互斥信號量mutex和資源信號量full進行操作，釋放資源。</p><p>　　另外，使我們體會最深