作业3-线程实现加减乘除

电子科技大学作业报告学生姓名：学号：指导教师：学生E-mail：一、作业名称线程实现加减乘除服务二、作业要求试验要求：使用多个队列，每一个计算线程有独立的队列用于存储计算请求，请求线程可用一个队列用于接收结果。

只需要实现A(+,-,X,/)B简单两元计算请求线程与计算线程是多对多关系三、设计与实现3.1设计方案根据试验要求，线程间的通信用队列，所以通信结构就不用考虑了，提到队列，我们就要做初始化队列，朝队列里面添加信息，从队列头部取走信息这些工作，但是在队列的操作中，最重要的就是线程的同步问题了，我选择了一个互斥锁和一个条件变量相结合的方法，互斥锁保证对队列的任何操作必须唯一，条件变量使我们可以放心的等待队列有内容，接着我们就需要选择我们的整体结构了。

最开始，我考虑用一个队列，发送线程把计算式结构体放到这个队列里面，这个计算式结构体里面包括接收线程的ID号，每个接收线程轮流去读取队列，但是只能读取接受进程是自己的结构体，然后再把这些结果都返回给主线程，主线程对这个计算式进行打印到屏幕，但是这个模型有一定的限制，那就是接受计算线程个数每次去取得互斥锁，并准备去取计算式，发现这个结构体里面的接受线程不是自己，不得不释放互斥锁，轮流这样做，这样的效率会比较低。

由于计算类型是确定的，经过综合考虑，我觉得还是初始化四个发送队列，每个计算线程（加，减，乘，除）各对应一个队列，发送线程会根据自己产生的计算式类型，把这个结构体放入对应的队列中，这样接收线程在队列不空的情况下，就可以去取，并且保证可以取到，同时初始化四个回传队列，计算线程计算完毕后，把结果回传个产生这个计算式的线程。

这样虽然会占有一定的空间，但是对于充足的内存，空间换时间的做法还是可以选择的。

在最后选择进程结束时，我考虑的是计算线程不能退出，因为暂时队列为空，不代表没有了该类型的计算式，但是还要保证最后整个线程正常退出，只能让所有的发送线程在接收到各自全部的计算式后返回主线程，这样主线程根据返回的发送线程的个数来判断是否结束整个进程。

另外发送线程的个数以及每个发送线程发送多少个计算式作业，都是用宏定义定义的，只要改变这两个值就可以修改线程的个数和现成的作业数，我这里主要的思想还是想把加减乘除与0，1，2，3对应起来，这样可以保证四个发送队列的类型与加减乘除匹配起来，并且计算线程id数组的下标刚好也用0，1，2，3与加减乘除对应，这样可以简单好理解。

结构图1这里只是大体的模型，下面会详细说明中间的细节。

3.2模块分析根据我自己的代码分析，我大概分了初始化队列，队尾插入，对头移除，计算式产生，计算，输出这六个模块，模块图如下：模块图23.3流程介绍从主程序开始，首先主线程初始化发送队列，发送队列主要分为四种类型，加法发送队列，减法发送队列，乘法发送队列，除法发送队列，接着会初始化N 个回传队列，这个N的个数与发送线程的个数保持一致，都有代码开始的宏定义定义，然后根据宏定义N产生N个子线程，开始发送子线程的工作，同时也要产生四个计算子线程，分别对应于加法计算，减法计算，乘法计算，除法计算，他们从对应的发送队列中取出要计算的计算式，并把他们计算出来，再根据这个计算式是由哪个发送线程产生的，把计算结果回送给那个发送进程，发送进程把这个计算式打印出来，并返回主线程，主线程当所有发送线程都返回时，就退出这个进程，到此为止，主进程结束，先画出大概的流程图，在详细画出发送线程和计算线程各自的流程图。

主线程的流程图3对于发送线程，首先通过一个函数产生两个一定范围的随机数，并产生一个加减乘除的符号，并判断当符号为除号时，除数是否为零，若为零，则重新产生两个数字作为除数与被除数，然后根据运算符号把自己产生的计算式结构体插入在相对应队列的尾部，插入的过程需要保证取得互斥锁，这样可以保证线程的同步，当自己产生JNUM个作业后，这些发送线程就要在属于自己的回传队列上等待接受计算过的计算式，并打印到屏幕，当线程接收到自己发送的所有计算作业后，就要返回到主线程。

发送线程的流程图4对于计算线程，由于我这里各个计算线程要执行的函数是同一个函数，所以这些计算线程开始要确定自己线程id在线程id数组中的下标，下标0，1，2，3分别对应于加，减乘，除，如果一个线程对应的下标是0，则表示这个线程要执行加法计算，并根据这个下标，去发送队列中取出一个计算作业，这是不仅要取得队列的互斥锁，而且还要等待条件变量，这个条件变量只是为了保证这个队列不空，才能使计算线程能成功取得该作业，取得一个作业后，进行相应的计算，然后把该计算结果放到发送线程对应的回传队列中，就这样一直循环，知道主线程退出，它就自动退出了。

计算线程的流程图5结合这三个流程图，可以对大概思路有个了解。

3.4关键代码分析上面说到一些大体的思路，但是中间的一些实现细节这里会详细分析，首先先介绍下，这个实验用的数据结构以及一些关键的变量定义。

#define ADD 0#define SUB 1#define MUL 2#define DIV 3做这些工作主要想让代码更容易理解，在本代码中把0，1，2，3与加减乘除对应起来，包括发送队列在队列数组中的下标与计算线程id在线程id数组的下标，都是与计算符号相对应的。

#define PNUM 3#define JNUM 3PNUM定义了发送线程的个数，JNUM可以改变每个发送线程要产生的计算作业个数，我们可以修改这两个值来动态的进行测试。

最终的作业总数是两者的成绩。

struct job{int a;int b;int op;int res;int pno;struct job * next;struct job * prev;};这个定义了队列上的节点结构a和b是两个运算数字，op是一个0到3的数字，代表加减乘除算法，res是计算线程计算过结果之后把计算结果存在该变量中，并会传给发送线程，pno标记的是与发送线程对应的回传队列的下标，计算线程正是靠这个变量来寻找到某个计算式的发送线程的，并把它放入对应的回传队列中。

next和prex是该节点前一个节点和后一个节点的地址，通过他们构成链队列。

struct queue{struct job * head;struct job * tail;pthread_mutex_t lock;pthread_cond_t ready;};这个是对队列的声明，其中head和tail是队列的对头和队尾指针，lock是一个互斥锁，所有对队列的操作都要先获得这个互斥锁，否则不能进行，ready 是一个条件变量，一个线程去取计算结构体，就要等到这个条件符合，这个条件变量保证队列不为空时，线程才可以去取结构体。

pthread_t ptid[PNUM],ctid[4];struct queue *qlist[4];struct queue *qrelist[PNUM];ptid这个数组是产生发送线程时，存储他们的线程id，同样，ctid这个数组是产生计算线程时，存储他们的线程id，qlist[4]是四个发送队列，每个发送线程产生计算式后，都会根据计算符合把计算式放入到这四个队列中的某一个上，qrelist[PNUM]这PNUM个队列就是要说的回传队列，这个是与发送线程个数相同的，每个发送线程对应于一个回传队列。

void init_queue(struct queue **qlist,int num)qlist[i]->head=NULL;qlist[i]->tail=NULL;pthread_mutex_init(&qlist[i]->lock,NULL)pthread_cond_init(&qlist[i]->ready,NULL)这个初始化队列的函数需要动态申请queue结构体空间，并初始化队列结构体中的head和tail，以及初始化队列中的互斥锁，和条件变量。

struct job * produce(int selfnum)这个函数主要是用来产生随机的计算式，它产生两个随机数和一个随机的计算符号，并初始化计算式结构体的其他变量，并且可以确保除号的除数不为零。

部分代码如下：while(1){srand((unsigned)time(0)*(ran));if(i==0){p_job->op=rand()%4;i++;ran++;}else if(i==1){p_job->a=rand()%1000;i++;ran++;}else{p_job->b=rand()%1000;if(p_job->b==0 && p_job->op==DIV)i=1;i++;ran++;}if(i==3)break;}如上代码显示，当i等于0时产生计算符号，当i等于1时，产生第一个数字，当i等于2时，产生第二个数字，当i等于3时，结束。

void job_append(struct queue *pq,struct job * pj)这个函数主要用于朝队尾添加计算式，要考虑队列为空时添加和队列有元素时添加，其中主要就是要取得队列的互斥锁，才能添加。

另外就是如果本身队列为空，添加一个元素成功时，就要对阻塞在条件变量上的线程执行唤醒操作。

pthread_mutex_lock(&(pq->lock));pj->next=NULL;pj->prev=pq->tail;if(pq->tail!=NULL)pq->tail->next=pj;elsepq->head=pj;pq->tail=pj;pthread_mutex_unlock(&(pq->lock));if(prestatus==NULL && pq->head!=NULL)pthread_cond_broadcast(&pq->ready);这其实就是在平常队列添加操作的基础上添加了条件变量和互斥锁。

void show(struct job * pj)这个是发送进程接收到回传的计算式时，需要执行该函数打印到屏幕上。

void compute(struct job * pj)这个函数是计算线程要调用的一个函数，他根据计算符号主要完成计算任务，把计算结果保存到计算式结构体中。

void * pthfun(void *arg)这个是发送线程要执行的代码部分，其中pthread_t self=pthread_self();for(i=0;i<PNUM;i++){if(pthread_equal(ptid[i],self)!=0)break;}主要是来确定自己发送线程id所在线程id数组中的下标，把这个下标记录在计算式结构体里面，用于计算线程计算过之后，把它放到以这个下标的回传队列中。