使用 Linux 系统提供的线程同步 API 解决线程同步问题

已于 2022-11-03 20:28:41 修改
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分类专栏： Linux操作系统 文章标签： linux c语言 ubuntu
于 2022-11-02 23:01:16 首次发布
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一、用信号量完成四个线程的同步。主程序创建四个线程，其中两个线程负责 从文件读取数据到公共缓冲区，另两个线程从缓冲区读取数据分别做加、乘运算。 运行程序之前先编辑好数据文件 file1.dat 和 file2.dat，分别输入 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 和-1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10。
（1）多次执行参考程序，观察并记录程序执行结果。
1）gedit file1.dat
在这里插入图片描述
2）gedit file2.dat
在这里插入图片描述
3）gedit ex4_1_1.c
在这里插入图片描述

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>
#include<unistd.h> //增加的头文件，否则sleep(1)会报错
#define MAXSTACK 100 //定义最大容量为100
int stack[MAXSTACK][2]; //定义一个二维数组
int size=0; //初始化大小
sem_t s; /*定义信号量*/

/*从文件file1.dat 读取数据，每读一次，信号量加一*/
void RData1(void)
{
    FILE *fp=fopen("file1.dat","r"); //打开文件file1.dat
    while(!feof(fp)) //未到文件尾时继续执行，否则退出循环
    {
    	fscanf(fp,"%d %d",&stack[size][0],&stack[size][1]); //将文件中的数据读入二维数组中
    	sem_post(&s); //增加信号量的值
    	++size; //长度加一
    }
    fclose(fp); //关闭文件
}

/*从文件file2.dat 读取数据，每读一次，信号量加一*/
void RData2(void)
{
    FILE *fp=fopen("file2.dat","r"); //打开文件file2.dat
    while(!feof(fp)) //未到文件尾时继续执行，否则退出循环
    {
    	fscanf(fp,"%d %d",&stack[size][0],&stack[size][1]); //将文件中的数据读入二维数组中
    	sem_post(&s); //增加信号量的值
    	++size; //长度加一
    }
    fclose(fp); //关闭文件
}

/*阻塞等待缓冲区有数据，读取数据后，释放空间，继续等待*/
void CData1(void)
{
    while(1)
    {
    	sem_wait(&s); //阻塞当前线程直到信号量 sem 的值大于 0
    	/*将二维数组中的数据相加*/
	printf("Plus:%d+%d=%d\n",stack[size][0],stack[size][1],stack[size][0]+stack[size][1]);
    	--size; //长度减一
    	sleep(1); //暂停执行
    }   
}

void CData2(void)
{
    while(1)
    {
    	sem_wait(&s); //阻塞当前线程直到信号量 sem 的值大于 0
    	/*将二维数组中的数据相乘*/
	printf("Multiply:%d*%d=%d\n",stack[size][0],stack[size][1],stack[size][0]*stack[size][1]);
    	--size; //长度减一
    	sleep(1); //暂停执行
    }
}

int main(void)
{
    pthread_t tid1,tid2,tid3,tid4;
    sem_init(&s,0,0); /*信号量初始化*/
    /*创建4个线程*/
    pthread_create(&tid1,NULL,(void *)RData1,NULL);
    pthread_create(&tid2,NULL,(void *)RData2,NULL);
    pthread_create(&tid3,NULL,(void *)CData1,NULL);
    pthread_create(&tid4,NULL,(void *)CData2,NULL);
    
    /*等待线程结束*/
    pthread_join(tid1,NULL);
    pthread_join(tid2,NULL);
    pthread_join(tid3,NULL);
    pthread_join(tid4,NULL);
    
    return 0;
}

4）gcc -o ex4_1_1 ex4_1_1.c -lpthread
在这里插入图片描述
5）./ex4_1_1
第一次执行
在这里插入图片描述
第二次执行
在这里插入图片描述
第三次执行
在这里插入图片描述
第四次执行
在这里插入图片描述
结果分析：由以上四张结果图可看出一个共性，那就是前四行都是0和0的乘法和加法，顺序都是一模一样的，从第五行开始发生变化。这道题目是从文本文档中读入数据，首先要保证数据保存形式是一样的，否则进行运算的时候可能会出现错误匹配的情况，数据保存不同如下图所示：
在这里插入图片描述
第一个文件，数据和数据之间没有空格
在这里插入图片描述
第二个文件，数据和数据之间以空格分隔
那么错误执行如下：
在这里插入图片描述
上图两个文件数据未匹配好，所以执行结果出现错误
前两个线程读取数据放入公共缓冲区中，后两个线程从阻塞等待缓冲区中读取数据后进行运算。从四次结果中可以看出加法和乘法运算是交错进行的，因为运算过程中线程读取数据后，还没来得及执行，信号量已经又加一了。而且还有一点，两个文件中的数据存放格式相同，但是运算的时候确实乱七八糟的，并没有按照顺序来执行加乘运算，因为再每个线程中，数组长度都可以被改变。

（2）修改程序，以实现题目的要求。提示：参照“生产者-消费 者问题”。
1）gedit ex4_1_2.c
在这里插入图片描述

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>
#include<unistd.h> //增加的头文件，否则sleep(1)会报错
#define MAXSTACK 100 //定义最大容量为100
int stack[MAXSTACK][2]; //定义一个公共缓冲区
int size=0; //初始化大小
sem_t sem1,sem2,sem3,sem4; /*定义信号量*/

/*从文件file1.dat 读取数据，每读一次，信号量加一*/
void RData1(void)
{
    FILE *fp=fopen("file1.dat","r"); //打开文件file1.dat
    while(!feof(fp)) //未到文件尾时继续执行，否则退出循环
    {
    	sem_wait(&sem1); //阻塞当前线程直到信号量sem1的值大于0
    	fscanf(fp,"%d %d",&stack[size][0],&stack[size][1]); //将文件中的数据读入二维数组中
    	size++; //长度加一
    	sem_post(&sem2); //增加信号量sem2的值
    }
    fclose(fp); //关闭文件
}

/*从文件file2.dat 读取数据，每读一次，信号量加一*/
void RData2(void)
{
    FILE *fp=fopen("file2.dat","r"); //打开文件file2.dat
    while(!feof(fp)) //未到文件尾时继续执行，否则退出循环
    {
    	sem_wait(&sem2); //阻塞当前线程直到信号量sem2的值大于0
    	fscanf(fp,"%d %d",&stack[size][0],&stack[size][1]); //将文件中的数据读入二维数组中
    	size++; //长度加一
    	sem_post(&sem3); //增加信号量sem3的值
    }
    fclose(fp); //关闭文件
}

/*阻塞等待缓冲区有数据，读取数据后，释放空间，继续等待*/
void CData1(void)
{
    while(1)
    {
    	sem_wait(&sem3); //阻塞当前线程直到信号量 sem 的值大于 0
    	size--; //长度减一
    	/*将二维数组中的数据相加*/
	printf("Plus:%d+%d=%d\n",stack[size][0],stack[size][1],stack[size][0]+stack[size][1]);
    	sem_post(&sem4);
    	//sleep(1); //暂停执行
    }   
}

void CData2(void)
{
    while(1)
    {
    	sem_wait(&sem4); //阻塞当前线程直到信号量 sem 的值大于 0
    	size--; //长度减一
    	/*将二维数组中的数据相乘*/
	printf("Multiply:%d*%d=%d\n",stack[size][0],stack[size][1],stack[size][0]*stack[size][1]);
 	sem_post(&sem1);
    	//sleep(1); //暂停执行
    }
}

int main(void)
{
    pthread_t tid1,tid2,tid3,tid4;
    sem_init(&sem1,0,1); /*信号量初始化*/
    sem_init(&sem2,0,0);
    sem_init(&sem3,0,0);
    sem_init(&sem4,0,0);
    /*创建4个线程*/
    pthread_create(&tid1,NULL,(void *)RData1,NULL);
    pthread_create(&tid2,NULL,(void *)RData2,NULL);
    pthread_create(&tid3,NULL,(void *)CData1,NULL);
    pthread_create(&tid4,NULL,(void *)CData2,NULL);
    
    /*等待线程结束*/
    pthread_join(tid1,NULL);
    //pthread_join(tid2,NULL);
    //pthread_join(tid3,NULL);
    //pthread_join(tid4,NULL);
    
    return 0;
}

2）gcc -o ex4_1_2 ex4_1_2.c -lpthread
在这里插入图片描述
3）./ex4_1_2
在这里插入图片描述
结果分析：修改以后，通过分别定义四个信号量，然后sem1使得线程1和2互斥，sem2使得线程2和3互斥，sem3使得线程3和4互斥，sem4使得线程4和1互斥，就这样，不断地进行循环往复，使得每一个信号都能够顺序进行，读取正确的数据顺序，完成正确的运算。

二、有两个线程 T1 和 T2 动作描述如下,x、y、z 为两个线程共享变量。信号量 S1 和 S2 的初值均为 0，编写程序完成下面两个线程 T1，T2 并发执行。画出前驱 图，并标注同步信号量。多次运行程序后，观察 x,y,z 输出的值，对结果进行分 析。
线程 T1：
y=1;
y=y+2;
sem_post(&S1);
z=y+1;
sleep(1);
sem_wait(&S2);
y=z+x;

线程 T2：
x=1;
x=x+1;
sem_wait(&S1);
x=x+y;
sleep(1);
sem_post(&S2);

1）gedit ex4_2.c
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>
#include<unistd.h>
sem_t sem1,sem2; /*定义信号量*/
int x,y,z;

void thread_func1(void)
{
    y=1;
    y=y+2;
    sem_post(&sem1); //增加信号量sem1的值
    z=y+1;
    sleep(1);
    printf("thread_func1: x = %d, y = %d, z = %d\n",x,y,z);
    sem_wait(&sem2); //阻塞当前线程直到信号量sem2的值大于0
    y=z+x;
    printf("thread_func1 result: x = %d, y = %d, z = %d\n",x,y,z);
}

void thread_func2(void)
{
    x=1;
    x=x+1;
    sem_wait(&sem1); //阻塞当前线程直到信号量sem1的值大于0
    x=x+y;
    sleep(1);
    printf("thread_func2: x = %d, y = %d, z = %d\n",x,y,z);
    sem_post(&sem2); //增加信号量sem2的值
    printf("thread_func2 result: x = %d, y = %d, z = %d\n",x,y,z);
}

int main(void)
{
    pthread_t tid1,tid2;
    sem_init(&sem1,0,0); /*信号量初始化*/
    sem_init(&sem2,0,0);
    
    /* 创建2个线程*/
    pthread_create(&tid1,NULL,(void *)thread_func1, NULL);
    pthread_create(&tid2,NULL,(void *)thread_func2, NULL);
    
    /*等待线程结束*/
    pthread_join(tid1,NULL);
    //pthread_join(tid2,NULL);
    printf("x = %d, y = %d, z = %d\n",x,y,z);
    return 0;
}

2）gcc -o ex4_2 ex4_2.c -lpthread
在这里插入图片描述
3）./ex4_2
在这里插入图片描述
结果分析：由上图可看出程序先是执行了第二个线程功能，再执行实现了第二个线程功能。因为根据实验指导书中给出的两个线程代码，在第一个线程中，先增加了sem1的值，然后进行运算，要等待sem2的值大于0，在第二个线程中，sem1已经增加了值，所以大于0，可以执行运算，而后便可以对sem2增加值，使得sem2大于0，这样就可以执行第一个线程中的运算。

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