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
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 <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <semaphore.h>
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);
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]; //定义7个线程
sem_init( &mutex, 0,1);//对临界资源和信号量赋初值
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
pthread_create(&tid[6], NULL, consumer, NULL);//执行消费者线程
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 <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <semaphore.h>
sem_t a,b,c; //设置整型信号量void* p1(void *arg){//线程输出A for(int i=0;i<10;i++){
sem_wait(&c);//p-
printf("A\n");
sem_post(&a);//v+
//usleep(1);
}
}
void* p2(void *arg){//线程输出B for(int i=0;i<10;i++){
sem_wait(&a);
printf("B\n");
sem_post(&b);
//usleep(1);
}
}
void* p3(void *arg){//线程输出C for(int i=0;i<10;i++){
sem_wait(&b);//p
printf("C\n");
sem_post(&c);//v
//usleep(1);
}
}
int main()
{
sem_init( &a, 0,0);//设置信号量初值
sem_init( &b, 0,0);
sem_init( &c, 0,1);//对信号量a赋初值
pthread_t tid[3];
pthread_create(&tid[0], NULL, p1, NULL);
pthread_create(&tid[1], NULL, p2, NULL);
pthread_create(&tid[2], NULL, p3, NULL);
for(int i = 0; i < 3; i++)
pthread_join(tid[i], NULL);
printf("main is over\n");
}
5．调试分析
1.生产者和消费者：最开始没理解到什么是同步，和互斥关系，用信号量怎么表示，当把这些概念依次搞懂，然后在看代码就豁然开朗了。

2.依次输出A、B、C：在做这道题的时候，没理解到前驱关系，以至程序输出结果不对，或者就是没有输出。

最后仔细思考，发现输出A、B、C是一个循环，因该给信号量a赋初值1，才可以解决。

为了使输出程序的结果更稳定，可以在三个线程中加入睡眠sleep();增加响应时间。

实际结果
7．问题回答及知识扩展
8. 总结
蒋贤武（算法设计+实验报告撰写）：在消费者和生产者、如何依次输出A、B、C这些问题中，应该理解到什么是进程的同步，和互斥关系，如何有效的设置信号量。

掌握了这些之后，对问题的算法设计就容易了。

在具体解决问题中，首先要分析问题中的同步，异步有多少种情况，然后在设置相应的信号量来解决问题
附件：
sy2.1.c sy2.2.c。