进程同步：实验报告

1．实验内容(进程的同步)

(1) 阅读理解示例程序。

(2) 说明示例程序是否能适合解决 N 个生产者和 1 个消费者问题，并设计实验验证

(3) 参照教材修改为 N 个生产者和 1 个消费者问题

(4) 思考 N 个生产者和 M 个消费者问题的解决方案(不要求)

(5) 利用信号量解决同步问题。

2．实验目的

通过程序模拟及验证生产者消费者问题等经典问题，深入理解并发中的同步和互斥的概念

3．实验原理

(1)进程概念：

(1.定义：程序的一次执行过程

( 2.三种基本状态 :就绪状态，执行状态，阻塞状态

(2)进程同步：

(1.定义：并发进程在执行次序上的协调，以达到有效的资源共享和相互合作，使程序执行有可再现性。

( 2.两种形式的制约关系： (一：资源共享关系：进程间接制约，需互斥地访问临界资源。)、(二：相互合作关系：进程直接制约)

(3.临界资源：一次仅允许一个进程访问的资源，引起不可再现性是因为临界资源没有互斥访问。

(3)信号量：定义一个用于表示资源数目的整型量S，它与一般的整型量不同，除初始化

外，仅能通过两个标准的原子操作 wait(S)和 signal(S)来访问，俗称 P,V操作。通俗来讲就是用P 来访问资源后减去一个单位资源，用 V 操作来释放一个单位资源就是现有资源上加一个单位资源。

4．实验内容一：说明示例程序是否能适合解决 N 个生产者和 1 个消费者问题，并设计实验验证答：示例程序不能解决多个生产者和消费者的问题，它是解决单个消费者和生产者的。如果可以就要修改代码，如“二”所说。

二：多个消费者和生产者的问题

生产者 1 如上图所示 ：如果要解决多个生产者和消费者的问题：

第一步：分析上图得出了两种关系，分别是异步和同步的关系 第

二步：异步关系的是生产者和生产者之间的， 因为同一时刻只能

有一个生产者 访问缓冲区，所以我们就可以设置临界资源 .获得

临界资源的生产者才能把产品 放到缓冲区里

第三步：同步关系有两个， 首先是生产者和缓冲区之间， 再是缓冲区和消费者之 间。他们都满足一前一后的关系， 即当缓冲区空间未满时， 生产者才可以放产品； 缓冲区不为空的时候才可以让消费者取出产品消费。

第四步：设计变量，用 C 语言编程，在 linux 上运行，观察结果。代码如下：

#include

#include

#include

#include

#include #include int n=10;

int buffer[10];// 缓冲区空间大小

int in=0,out=0; sem_t mutex,empty,full;// 设置临界资源，定义两个同步关系的信号量 void*

producer(void *arg){ // 生产者

sem_wait(&mutex); // 访问临界资源

int tag= pthread_self()%100;

int nextPro;

srand(time(NULL)+tag);

生产者 6

缓冲区 消费者

生产者 2

生产者 3

生产者 4 生产者 5

相关头文件

while(1){

nextPro = rand()%97;

sem_wait(&empty); // 生产一个产品，并放入缓冲区，缓冲区空间大小-1 buffer[in] = nextPro;

in = (in+1)%n;

sem_post(&full);// 生产一个产品，并放入缓冲区，产品数量 +1

printf("production:%d\n",nextPro);

sem_post(&mutex);// 释放临界资源，给其它线程用 usleep(1000*1000/2);

}

}

void* consumer(void *arg) // 消费者

int item;

while(1){

sem_wait(&full);// 消费一个产品，缓冲区产品数量 -1 item = buffer[out];

sem_post(&empty); // 消费一个产品，缓冲区大小 +1

printf("consume:%d\n",item);

out = (out+1)%n; usleep(1000*1000/2);

}

}

int main(int argc, char const *argv[])

{

pthread_t tid[6]; sem_init( &mutex, 0,1); sem_init( &empty, 0,10);

sem_init( &full, 0,0);

for(int i=0;i<6;i++){ pthread_create(&tid[i], NULL, producer, NULL);

} // 执行生产者线程 //定义 7 个线程

//对临界资源和信号量赋初

值

//

pthread_create(&tid[6], NULL, consumer, NULL);

for(int i = 0; i < 6 ; i++)

pthread_join(tid[i], NULL);

return 0;

}

三：开启 3个线程，这 3个线程分别输出 A 、B 、C 各 10遍，要求输出结果必须按 ABC 的 顺序显示；如：

A

B

C

A

B

第一步：分析

源程序输出结果依次是十个 A ，十个 B ，十个 C ，而我们要求的是输出 A 、B 、C ，A 按顺 序输出，因此可以看出有同步关系， 即一前一后的行为， 存在多种同步机制，就可以引入前 趋图的原理来解决，使源程序输出变成要求所示

前驱的概念： 1.要为每一对前驱关系各设置一个同步变量； 2.在“前操作”之后对相应

的同步变量执行 V 操作； 3 在“后操作”之前对应的同步变量执行 P 操作

第三步：根据上图以及分析，写出修改代码，使代码输出如要求所示

#include

#include

#include

#include

#include

//执行消费者线程