操作系统——Windows 线程的互斥与同步

一、实验题目

Windows 线程的互斥与同步

二、实验目的

(1) 回顾操作系统进程、线程的有关概念，加深对 Windows 线程的理解。

(2) 了解互斥体对象，利用互斥与同步操作编写生产者-消费者问题的并发程序，加深对 P (即 semWait)、V(即 semSignal)原语以及利用 P、V 原语进行进程间同步与互斥操作的理解

三、实验内容（实验原理/运用的理论知识、算法/程序流程图、步骤和方法、关键代码）

生产者消费者问题

步骤 1：创建一个“Win32 Consol Application”工程，然后拷贝清单 5-1 中的程序，编译成可执行

文件。

步骤 2：在“命令提示符”窗口运行步骤 1 中生成的可执行文件，列出运行结果。

步骤 3：仔细阅读源程序，找出创建线程的 WINDOWS API 函数，回答下列问题：线程的第一

个执行函数是什么（从哪里开始执行）？它位于创建线程的 API 函数的第几个参数中？

步骤 4：修改清单 5-1 中的程序，调整生产者线程和消费者线程的个数，使得消费者数目大与

生产者，看看结果有何不同。察看运行结果，从中你可以得出什么结论？

步骤 5：修改清单 5-1 中的程序，按程序注释中的说明修改信号量 EmptySemaphore 的初始化方

法，看看结果有何不同。

步骤 6：根据步骤 4 的结果，并查看 MSDN，回答下列问题：

1）CreateMutex 中有几个参数，各代表什么含义。

2）CreateSemaphore 中有几个参数，各代表什么含义，信号量的初值在第几个参数中。

3）程序中 P、V 原语所对应的实际 Windows API 函数是什么，写出这几条语句。

4）CreateMutex 能用 CreateSemaphore 替代吗？尝试修改程序 5-1，将信号量 Mutex 完全用

CreateSemaphore 及相关函数实现。写出要修改的语句。

问题回答：

步骤 3：

创建线程的Windows API函数是CreateThread。

线程的第一个执行函数是Producer函数（生产者线程的入口函数）。它位于CreateThread的第三个参数lpStartAddress中。

步骤 4：

调整生产者线程和消费者线程的个数，使得消费者数目大于生产者，可以观察到以下结果：

当消费者线程数目大于生产者线程数目时，消费者线程可能更频繁地等待缓冲区中有产品可消费，因此消费者线程的执行速度可能较慢。

生产者线程可能更频繁地生产产品，因为消费者线程较慢消耗产品，缓冲区中可能较少空位，导致生产者线程等待EmptySemaphore的次数增加。

步骤 5：

修改信号量EmptySemaphore的初始化方法，将第二个参数设置为0，即初始化为0个空位，代码示例：EmptySemaphore = CreateSemaphore(NULL, 0, SIZE_OF_BUFFER, NULL)。

结果将导致所有的生产者线程在开始时无法生产产品，因为EmptySemaphore信号量初始为0，生产者线程在WaitForSingleObject(EmptySemaphore, INFINITE)处被阻塞，等待消费者线程消耗产品。

步骤 6：

CreateMutex中有3个参数，各代表的含义如下：

参数1：lpMutexAttributes，指向SECURITY_ATTRIBUTES结构的指针，用于设置互斥对象的安全属性。可以为NULL，表示使用默认的安全属性。

参数2：bInitialOwner，指示是否为调用线程拥有互斥对象的初始所有权。TRUE表示拥有，FALSE表示未拥有。

参数3：lpName，互斥对象的名称。可以为NULL。

CreateSemaphore中有4个参数，各代表的含义如下：

参数1：lpSemaphoreAttributes，指向SECURITY_ATTRIBUTES结构的指针，用于设置信号量的安全属性。可以为NULL，表示使用默认的安全属性。

参数2：lInitialCount，信号量的初始计数器值，即可用的资源数量。

参数3：lMaximumCount，信号量的最大计数器值，即计数器的上限。

参数4：lpName，信号量的名称。可以为NULL。信号量的初值在第二个参数lInitialCount中。

P、V原语所对应的实际Windows API函数是：

P操作对应的是WaitForSingleObject函数，用于等待一个对象的信号状态。

V操作对应的是ReleaseSemaphore函数，用于增加信号量的计数器值。

CreateMutex可以用CreateSemaphore替代，但需要做一些修改：

将CreateMutex修改为CreateSemaphore，同时修改互斥锁的初始化和使用方法。

使用WaitForSingleObject来替代WaitForSingleObject(mutex, INFINITE)，等待信号量的状态。

使用ReleaseSemaphore来替代ReleaseMutex(mutex)，释放信号量。

修改代码示例：

// 初始化互斥锁

mutex = CreateSemaphore(NULL, 1, 1, NULL);

// 生产者线程

WaitForSingleObject(emptySemaphore, INFINITE);

WaitForSingleObject(mutex, INFINITE);

// ...

ReleaseSemaphore(mutex, 1, NULL);

// 消费者线程

WaitForSingleObject(fullSemaphore, INFINITE);

WaitForSingleObject(mutex, INFINITE);

// ...

ReleaseSemaphore(mutex, 1, NULL);

注意，由于CreateSemaphore初始化的互斥锁计数器初始值为1，所以这里使用了1作为CreateSemaphore的初始计数器值，并在WaitForSingleObject和ReleaseSemaphore中将第二个参数设置为1。

四、实验结果与分析

 

实验结果：

程序创建了多个生产者线程和消费者线程。

生产者线程负责生产产品，每次生产后将产品放入缓冲区。

消费者线程负责从缓冲区中取出产品并消耗。

生产者和消费者之间通过互斥锁（Mutex）和信号量（EmptySemaphore和FullSemaphore）实现同步和互斥。

实验分析：

在主函数中，首先创建了互斥锁（Mutex）和两个信号量（EmptySemaphore和FullSemaphore）。互斥锁用于保护共享资源的访问，信号量用于控制生产者和消费者的同步。

根据设置的生产者和消费者数量，创建了相应数量的线程，并分别执行Producer和Consumer函数。

生产者线程在每次生产产品之前，首先等待EmptySemaphore信号量，确保缓冲区有可用的位置。然后获取互斥锁Mutex，进行生产操作，将产品放入缓冲区，并释放互斥锁Mutex和FullSemaphore信号量。

消费者线程在每次消耗产品之前，首先等待FullSemaphore信号量，确保缓冲区中有可用的产品。然后获取互斥锁Mutex，进行消耗操作，从缓冲区中取出产品，并释放互斥锁Mutex和EmptySemaphore信号量。

在每个生产者和消费者的操作中，通过输出语句打印相关信息，包括生产的产品号、缓冲区的状态以及消费的产品号。

主函数中的while循环用于控制程序的运行，当按下回车键时，设置p_ccontinue为false，结束生产者和消费者的线程运行。

由于涉及多线程和同步操作，实际运行结果可能因为线程调度和竞态条件的不确定性而有所不同。以上分析是一种可能的情况。

需要注意的是，这段代码在创建信号量时有两种方式的注释，可以根据需要进行修改，观察对程序运行的影响。

总的来说，这个实验通过模拟生产者和消费者的行为，展示了线程间同步和互斥的机制。生产者和消费者通过缓冲区进行交互，确保生产者不会在缓冲区满时继续生产，消费者不会在缓冲区空时继续消耗。通过互斥锁和信号量的合理运用，保证了线程的安全和正确的执行顺序。

五、小结与心得体会

1.多线程编程：该实验涉及多线程编程，通过创建多个线程并使用线程同步机制实现线程间的协调与通信。

2.生产者-消费者模型：该实验基于生产者-消费者模型，生产者生成产品并放入缓冲区，消费者从缓冲区中取出产品进行消费。

3.缓冲区的使用：缓冲区被设计为循环队列，使用数组来表示。生产者和消费者通过维护缓冲区的读写指针（in和out）来实现对缓冲区的访问。

4.线程同步与互斥：为了避免生产者和消费者同时访问缓冲区而导致数据不一致的问题，使用互斥信号量（Mutex）进行互斥操作。同时，通过同步信号量（FullSemaphore和EmptySemaphore）实现生产者和消费者之间的同步。

5.线程间通信：生产者和消费者之间通过信号量进行通信和同步，当缓冲区满时生产者等待，当缓冲区空时消费者等待。

6.通过以上实验，可以深入理解多线程编程的概念和技术，以及生产者-消费者模型在多线程环境下的应用。这对于并发编程和系统设计有着重要的意义。