互斥与同步 操作系统实验2 赵静：1215052241@qq.com.

Presentation on theme: "互斥与同步 操作系统实验2 赵静：1215052241@qq.com."— Presentation transcript:

1 互斥与同步 操作系统实验2

2 内容 一、信号量机制解决互斥与同步问题 实验：P/V信号量的编程实现 二、管程机制解决互斥与同步问题 实验：管程机制的编程实现

3 一、信号量机制解决互斥与同步问题

4 信号量机制 信号量（semaphore）机制 解决并发进程同步的工具 P操作表示同步进程发出的检测信号量操作，检测是否能够使用临界资源
V操作表示访问完临界资源的进程通知等待进程已经完成了临界资源的访问，将临界资源释放。

5 经典互斥与同步问题回顾 生产者-消费者问题 读者-写者问题 哲学家进餐问题

6 生产者-消费者问题 生产者P： 消费者C: Wait(empty); Wait(mutex); Buffer(in)=nextp;
mutex,full,empty:semaphore mutex :=1; full:=0; empty:=n; 生产者P： Wait(empty); Wait(mutex); Buffer(in)=nextp; in:=(in+1) mod n; Signal(mutex); Signal(full); 消费者C: Wait(full); Wait(mutex); netxc=buffer(out); out:=(out+1) mod n; Signal(mutex); Signal(empty);

7 读者-写者问题(读者优先) 读者R： 写者W: rcount++; if(rcount == 1) Wait(wmutex);
Wait(rmutex); rcount++; if(rcount == 1) Wait(wmutex); Signal(rmutex); Read_Action(); rcount--; if(rcount == 0) Signal(wmutex); rmutex,wmutex:semaphore rmutex :=1;wmutex :=1; rcount:int rcount:=0; 写者W: Wait(wmutex); Write_Action(); Signal(wmutex);

8 哲学家进餐问题 哲学家i(i=0,1..5) thinking(); Wait(fork[i]);
Wait(fork[(i+1) mod 5]) eating(); Signal(fork[i]); Signal(fork[(i+1) mod 5]) array of fork[]:semaphore fork[] :={1,1,1,1,1}; 思考，怎么解决 死锁问题 ？

9 同步对象 同步对象是指Windows/Linux中用于实现同步与互斥的实体， 包括互斥量(Mutex)、信号量(Semaphore)、临界区(Critical Section)和事件(Events)等。 本实验中使用到信号量、互斥量和临界区三个同步对象。

10 实验方案设计 以读者-写者(读者优先)为例： 1.创建若干线程分别模拟读者操作和写者操作
2.读线程间和写线程间对各自局部共享资源的访问修改采用 Mutex对象，结合WaitForSingleObject 保证互斥操作。 3.读线程与写线程争用全局临界资源采用临界区(Critical Seciton)。 4.统管读写线程的线程采用WaitForMultipleObjects 保证等待所有的线程结束。

11 创建线程函数 CreateThread 功能：该函数创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程。
若函数调用成功，返回值为新线程的句柄；若函数调用失败， 返回值为NULL。 格式： HANDLE CreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes， DWORD dwStackSize， LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress， LPVOID lpParameter, DWORD dwCreationFlag， LPDWORD lpThreadId)； 参数说明： lpThreadAttributes—指向一个LPSECURITY_ATTRIBUTES(新线程的安全性描述符)。 dwStackSize—定义原始堆栈大小。 lpStartAddress—指向使用LPTHRAED_START_ROUTINE类型定义的函数。 lpParamiter—定义一个给进程传递参数的指针。 dwCreationFlags—定义控制线程创建的附加标志。 lpThread—保存线程标志符(32位)

12 退出线程函数 ExitThread 功能：该函数结束一个线程 格式：VOID ExitThread (DWORD dwExitCode);
参数说明： dwExitCode—调用线程的退出代码

13 创建互斥量函数 CreateMutex 功能：函数创建有名或者无名的互斥对象。如果函数调用成功，返回值
是互斥对象句柄；如果函数调用之前，有名互斥对象已存在，那么函数 给已存在的对象返回一个句柄。 格式： HANDLE CreateMutex(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes, BOOL bInitialOwner, LPCTSTR lpName)； 参数说明： lpMutexAttributes—取值NULL。 bInitialOwner—指示当前线程是否马上拥有该互斥量(即马上加锁)。 lpName—互斥量名称。

14 释放互斥量函数 ReleaseMutex 功能：释放互斥对象的控制权。 格式：
BOOL WIANPI ReleaseMutex(HANDLE hMutex); 参数说明： hMutex—互斥对象句柄。 返回值：TRUE表示成功，FALSE表示失败。 注：相当于我们的V操作

15 创建信号量函数 CreateSemaphore 功能：创建一个新的信号量。 格式： HANDLE CreateSemaphore(
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, LONG lInitialCount, LONG lMaximumCount, LPCTSTR lpName); 参数说明： lpSemaphoreAttributes——用于定义信号量的安全特性。 lInitialCount——设置信号量的初始计数。 lMaximumCount——设置信号量的最大计数。 lpName——指定信号量对象的名称。

16 释放信号量函数 ReleaseSemaphore 功能：函数用于对指定的信号量增加指定的值。
格式：BOOL ReleaseSemaphore( HANDLE hSemaphore, 　　 LONG lReleaseCount, 　　 LPLONG lpPreviousCount); 参数说明： hSemaphore——所要释放的信号量句柄。 lReleaseCount——所要释放信号量的数目。 lpPreviousCount——指向返回信号量上次值的变量的指针，如果不需要信号量 上次的值，那么这个参数可以设置为NULL。 注：相当于我们的V操作

17 使用临界区资源的相关函数 VOID InltlallzeCriticalSection(
LPCRITICAL_SECTION IpCritiCalSection)； 函数功能：该函数初始化临界区对象。返回值：无。 VOID EnterCriticalSection( LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection)； 函数功能：该函数是等待指定临界区对象的所有权。当调用线程被 赋予所有权时，该函数返回。返回值：无。 VOID LeaveCriticalSection( 函数功能：该函数释放指定临界区对象的所有权。返回值：无。

18 等待同步对象函数 WaitForSingleObject 功能：使程序处于等待状态，直到信号量hHandle出现(即其值大于
等于1)或超过规定的等待时间。 格式： DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle, DWORD dwMilliseconds); 参数说明 hHandle——同步对象指针。 dwMilliseconds——等待的最长时间(INFINITE为无限等待)。 注：相当于我们的P操作

19 等待所有线程完成函数 waitForMultipleObjects
功能：WaiForMultipleObjects函数当下列条件之一满足时返回： (1)任意一个或全部指定对象处于信号态； (2)超时间隔已过。 格式：DWORD waitForMultipleObjects (DWORD nCount， CONST HANDLE * lpHandles, BOOL fWaitAll， IDWORD dwMilliSeconds) ; 参数说明： nCount——句柄的数量 最大值为MAXIMUM_WAIT_OBJECTS（64） HANDLE——句柄数组的指针。 HANDLE 类型可以为（Event，Mutex，Process，Thread，Semaphore ） 数组 bWaitAll ——等待的类型，如果为TRUE 则等待所有信号量有效在往下执行， FALSE 当有其中一个信号量有效时就向下执行。 dwMilliseconds——超时时间 超时后向执行。 如果为WSA_INFINITE 永不超时。如果没有信号量就会在这死等。

20 输入数据格式及运行效果 提示：由于牵涉格式的问题，最好在文件中读取输入数据。 测试数据文件的例子： 1 R 3 5 2 W 4 5

21 Shell脚本运行过程 编写shell脚本 添加执行权限： chmod u+x test.sh 运行脚本： ./test.sh
使用任意编辑器（gedit、vim、nano等）编写脚本 添加执行权限： chmod u+x test.sh 运行脚本： /test.sh 运行脚本的几种方式 sh 脚本名：sh 只执行bash，读文件，只需r权限；开启新的儿子 shell运行脚本 ./脚本名 ：当前目录下该脚本，作为可执行程序运行，需x权限，每 次开启新的儿子shell运行脚本 . 脚本名：. 是一个命令，不开启儿子shell，当前shell运行

22 代码实例-初始化操作

23 代码实例-主线程

24 代码实例-主线程

25 代码实例-读者线程

26 代码实例-写者线程

27 思考 试把控制读/写的全局临界资源用Critical Section换成互斥量mutex，看看实验结果有什么变化，并且查阅相关资料说明原因。

28 实验内容 题目1：用PV信号量实现读者-写者问题(写者优先)程序。 题目2：用PV信号量实现生产者与消费者问题。

29 实验要求 1.每人做一道题 2.学号末2位模4所得结果+1为该生所做题目号

30 实验：PV信号量解决互斥与同步问题

31 二、管程机制解决互斥与同步问题

32 管程的定义 管程的定义： 一组数据结构和数据结构上的一组相关操作被称为管程。 管程(monitor)：新的同步机制
用管程解决同步问题比用信号量解决同步问题更加简单。 管程机制作为同步工具，便于在高级语言编程中实现。

33 管程的组成 管程由4部分组成： 管程的名称 局部于管程内部的共享数据结构说明 对该数据结构进行操作的一组过程
对局部于管程内部的共享数据设置初始的语句

34 管程的结构 管程只有一个入口和一个出口 并发进程在管程外等待调用管程中的过程 如果进程在管程中不能访问临界资源，则在管程中阻塞
等待访问完临界资源的进程将其唤醒

35 利用管程实现进程同步的工具 在通过管程实现进程同步时，必须设置同步工具。 1.wait 2.Signal 3.condition
Var x， y:condition 对条件变量的操作： x.wait x.signal

36 条件变量 条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步 的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待"条件
变量的条件成立"而挂起；另一个线程使"条件成立" （给出条件成立信号）。为了防止竞争，条件变量的 使用总是和一个互斥锁结合在一起。 管程的关键的要素是： 1. 一个互斥量，让所有的线程互斥地访问管程保护的变量 2. 若干个条件变量，表示相应的条件，可用于阻塞线程

37 实验内容 题目1：用管程机制实现读者-写者问题(写者优先)程序。 题目2：用管程机制实现读者-写者问题，读者最大数目
限制为20(读者优先/写者优先均可)。 题目3：用管程机制量实现哲学家进餐问题，要求解决死锁问题。 题目4：江安北和江安南有一座小桥，小桥中间宽两边窄，中间每次最多允许两人通过，两边每次最多允许一人通过，使用管程机制实现过此桥的程序。

38 创建线程函数 pthread_create 功能：类Unix操作系统(Unix、Linux、Mac OS X等) 的创建线程的函数。
格式：int pthread_create(pthread_t *tidp, 　　 pthread_attr *attr, 　　 void *(*start_trn)(void *), 　　 void *arg); 参数说明： tidp——指向线程标识符的指针。 attr——设置线程属性。 start_trn——线程运行函数的起始地址。 arg——运行函数的参数。 返回值：若线程创建成功，则返回0。若线程创建失败， 则返回出错编号。

39 召回线程函数 pthread_join 功能：等待一个线程的结束。 格式：
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval); 参数说明： thread——线程标识符，即线程ID。 retval——用户定义的指针，用来存储被等待线程的返回值。 返回值：0代表成功。 失败，返回的则是错误号。 说明：pthread_join()函数，以阻塞的方式等待thread指定的 线程结束。当函数返回时，被等待线程的资源被收回。 如果进程已经结束，那么该函数会立即返回。

40 锁定互斥量函数 pthread_mutex_lock 功能：给互斥量加锁。 格式：
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); 参数说明： mutex——互斥信号量指针。 返回值：在成功完成之后会返回零。其他任何返回值都表示 出现了错误。 说明：当pthread_mutex_lock()返回时，该互斥锁已被锁定。 线程调用该函数让互斥锁上锁，如果该互斥锁已被另一个线程 锁定和拥有，则调用该线程将阻塞，直到该互斥锁变为可用为 止。类似于我们的P操作。

41 释放互斥量函数 pthread_mutex_unlock 功能：给互斥量解锁。 格式：
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); 参数说明： mutex——需要解锁的互斥信号量指针。 返回值：在成功完成之后会返回零。其他任何返回值都表示 出现了错误。 说明：释放互斥锁，与pthread_mutex_lock成对存在。 类似于我们的V操作。

42 等待信号量函数 sem_wait 功能：可以获得资源，使semaphore的值减1。如果调用
格式： int sem_wait(sem_t *sem); 参数说明： sem——信号量资源指针。 返回值：在成功完成之后会返回零。其他任何返回值都表示 出现了错误。 说明：所需头文件：<semaphore.h>。 类似于我们的P操作。

43 释放信号量函数 sem_destroy 功能：释放资源，使semaphore的值加1，同时唤醒挂起等待 的线程。 格式：
int sem_destroy(sem_t * sem); 参数说明： sem——信号量资源指针。 返回值：在成功完成之后会返回零。其他任何返回值都表示 出现了错误。 说明：所需头文件：<semaphore.h>。 类似于我们的P操作。

44 等待条件变量函数 pthread_cond_wait
功能：等待条件变量，若相应的条件变量已被占用则阻塞线程等待，直到有其他线程释放该条件变量。 格式： int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex); 参数说明： cond——条件变量指针。 mutex——互斥信号量指针。 返回值：成功则返回0，失败则返回出错编号。

45 释放条件变量函数 pthread_cond_signal 功能：释放条件变量，唤醒一个等待在指定条件变量上的线程。
格式：int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond); 参数说明： cond——将要释放的条件变量指针。 返回值：成功则返回0，失败则返回出错编号。

46 输入数据格式及运行效果 提示：由于牵涉格式的问题，最好在文件中读取输入数据。 测试数据文件的例子： 1 R 3 5 2 W 4 5

47 代码实例-初始化操作

48 代码实例-生产和消费产品

49 代码实例-生产者和消费者线程

50 代码实例-主线程

51 实验内容 题目1：用管程机制实现读者-写者问题(写者优先)程序。 题目2：用管程机制实现读者-写者问题，读者最大数目
限制为20(读者优先/写者优先均可)。 题目3：用管程机制量实现哲学家进餐问题，要求解决死锁问题。 题目4：江安北和江安南有一座小桥，小桥中间宽两边窄，中间每次最多允许两人通过，两边每次最多允许一人通过，使用管程机制实现过此桥的程序。

52 实验要求 1.每人做一道题 2.学号末2位*3模4所得结果+1为该生所做题目号

53 Shell脚本运行过程 编写shell脚本 添加执行权限： chmod u+x test.sh 运行脚本： ./test.sh
使用任意编辑器（gedit、vim、nano等）编写脚本 添加执行权限： chmod u+x test.sh 运行脚本： /test.sh 运行脚本的几种方式 sh 脚本名：sh 只执行bash，读文件，只需r权限；开启新的儿子 shell运行脚本 ./脚本名 ：当前目录下该脚本，作为可执行程序运行，需x权限，每 次开启新的儿子shell运行脚本 . 脚本名：. 是一个命令，不开启儿子shell，当前shell运行

54 Linux下c编程 运行c文件，hello.c为例 gcc 文件名 g++ 文件名 -lpthread ./ 运行程序
gcc hello.c 编译+链接，得到可执行文件a.out gcc –o hello hello.c 编译+链接，得到可执行文件 hello 编译器 gcc 可执行文件 C语言源程序 .c