前言

課程設(shè)計開始了，實(shí)驗(yàn)很有意思，寫博客總結(jié)學(xué)到的知識
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操作系統(tǒng)課程設(shè)計源代碼
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操作系統(tǒng)課設(shè)之Windows 進(jìn)程管理
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操作系統(tǒng)課設(shè)之Linux 進(jìn)程間通信
操作系統(tǒng)課設(shè)之Windows 的互斥與同步
操作系統(tǒng)課設(shè)之內(nèi)存管理
操作系統(tǒng)課設(shè)之虛擬內(nèi)存頁面置換算法的模擬與實(shí)現(xiàn)
操作系統(tǒng)課設(shè)之基于信號量機(jī)制的并發(fā)程序設(shè)計
操作系統(tǒng)課設(shè)之簡單 shell 命令行解釋器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
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實(shí)驗(yàn)題目

Windows 的互斥與同步

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h1>

(1) 回顧操作系統(tǒng)進(jìn)程、線程的有關(guān)概念，加深對 Windows 線程的理解。
(2) 了解互斥體對象，利用互斥與同步操作編寫生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題的并發(fā)程序，加深對 P (即semWait)、V(即 semSignal)原語以及利用 P、V 原語進(jìn)行進(jìn)程間同步與互斥操作的理解。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)原理：

典型例題，生產(chǎn)者消費(fèi)者問題，利用PV操作和Windows API實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者 消費(fèi)者問題。
實(shí)驗(yàn)步驟：
在Windows下用codeblocks新建一個project，然后將指導(dǎo)書的代碼復(fù)制到項目目錄下的main.cpp文件下。多次運(yùn)行查看結(jié)果。
修改代碼，調(diào)整生產(chǎn)者線程和消費(fèi)者線程的個數(shù)，使得消費(fèi)者數(shù)目大與生產(chǎn)者，看看結(jié)果有何不同。
修改代碼，按程序注釋中的說明修改信號量 EmptySemaphore 的初始化方法，看看結(jié)果有何不同。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

源代碼運(yùn)行結(jié)果

符合預(yù)期，生產(chǎn)者生產(chǎn)一個，消費(fèi)者消費(fèi)，如此循環(huán)。

const unsigned short CONSUMERS_COUNT = 5; //消費(fèi)者的個數(shù)

將消費(fèi)者由1改成5個，結(jié)果如下

和不修改類似。

EmptySemaphore = CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL);

將信號量如上修改，結(jié)果無輸出
符合預(yù)期，buff空的信號量最開始應(yīng)該是等同于buff大小的，如果按照如上修改，buff空信號量初始化就是0，也就是buff一開始就是滿的，但是實(shí)際上buff是空的。所以生產(chǎn)者P(EmptySemaphore)時就是會一直等待，而因?yàn)樯a(chǎn)者沒生產(chǎn)，所以消費(fèi)者P(FullSemaphore)時也是一直等待，所以就無輸出。

查閱相關(guān)問題和分析代碼，得出以下答案：
1）CreateMutex 中有幾個參數(shù)，各代表什么含義。
三個參數(shù)，分別是結(jié)構(gòu)體指針;立即擁有互斥體(true);互斥體對象的名字，詳細(xì)解釋如下：
lpMutexAttributes SECURITY_ATTRIBUTES，指定一個SECURITY_ATTRIBUTES結(jié)構(gòu)，或傳遞零值（將參數(shù)聲明為ByVal As Long，并傳遞零值），表示使用不允許繼承的默認(rèn)描述符
bInitialOwner BOOL，如創(chuàng)建進(jìn)程希望立即擁有互斥體，則設(shè)為TRUE。一個互斥體同時只能由一個線程擁有
lpName String，指定互斥體對象的名字。用vbNullString創(chuàng)建一個未命名的互斥體對象。如已經(jīng)存在擁有這個名字的一個事件，則打開現(xiàn)有的已命名互斥體。這個名字可能不與現(xiàn)有的事件、信號機(jī)、可等待計時器或文件映射相符。

2）CreateSemaphore 中有幾個參數(shù)，各代表什么含義，信號量的初值在第幾個參數(shù)中。
一共有4個參數(shù)，分別是結(jié)構(gòu)體指針;信號量對象的初始計數(shù);信號量對象的最大計數(shù);信號量對象的名稱。
結(jié)構(gòu)體指針和信號量對象名稱的參數(shù)的規(guī)則和Mutex的一樣。

3）程序中 P、V 原語所對應(yīng)的實(shí)際 Windows API 函數(shù)是什么，寫出這幾條語句。

WaitForSingleObject(EmptySemaphore,INFINITE); //P操作 ReleaseSemaphore(FullSemaphore,1,NULL); //V操作 ReleaseMutex(Mutex); //V操作

4）CreateMutex 能用 CreateSemaphore 替代嗎？
嘗試修改程序 4-1，將信號量 Mutex 完全用CreateSemaphore 及相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。寫出要修改的語句。
可以，互斥信號量其實(shí)就是二元信號量
只需要修改初始化代碼和V操作代碼即可：

Mutex = CreateSemaphore(NULL,1,1,NULL); ReleaseSemaphore(Mutex,1,NULL); //V(mutex);

仔細(xì)閱讀源程序，找出創(chuàng)建線程的 WINDOWS API 函數(shù)，回答下列問題：
線程的第一個執(zhí)行函數(shù)是什么（從哪里開始執(zhí)行）？
它位于創(chuàng)建線程的 API 函數(shù)的第幾個參數(shù)中？
創(chuàng)建線程的函數(shù)：CreateThread(),執(zhí)行函數(shù)Producer()/Consumer()，位于第三個參數(shù)

小結(jié)與心得體會

Windows的API看著非常復(fù)雜，參數(shù)很多，而且定義了很多沒用過也沒見過的數(shù)據(jù)類型，由于時間緊迫并沒有深入研究那些復(fù)雜的語法，僅僅是會用信號量和PV操作。不過本次實(shí)驗(yàn)也讓我了解到課本上那些算法和理論離我們并不遙遠(yuǎn)，因?yàn)槲乙呀?jīng)有過Java多線程程序開發(fā)的經(jīng)歷，Java多線程中同步問題在語法上比C/C++簡單一些，不過兩者用法都非常有各自語言的特點(diǎn)，獲益匪淺。
=w=

源代碼

4-1

#include <windows.h> #include <iostream> const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 2; //緩沖區(qū)長度 unsigned short ProductID = 0; //產(chǎn)品號 unsigned short ConsumeID = 0; //將被消耗的產(chǎn)品號 unsigned short in = 0; //產(chǎn)品進(jìn)緩沖區(qū)時的緩沖區(qū)下標(biāo) unsigned short out = 0; //產(chǎn)品出緩沖區(qū)時的緩沖區(qū)下標(biāo) int buffer[SIZE_OF_BUFFER]; //緩沖區(qū)是個循環(huán)隊列 bool p_ccontinue = true; //控制程序結(jié)束 HANDLE Mutex; //用于線程間的互斥 HANDLE FullSemaphore; //當(dāng)緩沖區(qū)滿時迫使生產(chǎn)者等待 HANDLE EmptySemaphore; //當(dāng)緩沖區(qū)空時迫使消費(fèi)者等待17 DWORD WINAPI Producer(LPVOID); //生產(chǎn)者線程 DWORD WINAPI Consumer(LPVOID); //消費(fèi)者線程int main() { //創(chuàng)建各個互斥信號 //注意，互斥信號量和同步信號量的定義方法不同，互斥信號量調(diào)用的是 CreateMutex 函數(shù)，同步信號量調(diào)用的是 CreateSemaphore 函數(shù)，函數(shù)的返回值都是句柄。/*結(jié)構(gòu)體指針;立即擁有互斥體(true);互斥體對象的名字*/Mutex = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);/*結(jié)構(gòu)體指針;信號量對象的初始計數(shù);信號量對象的最大計數(shù);信號量對象的名稱*/EmptySemaphore = CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER,SIZE_OF_BUFFER,NULL); //將上句做如下修改，看看結(jié)果會怎樣//EmptySemaphore = CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL);FullSemaphore = CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER,NULL); //調(diào)整下面的數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生產(chǎn)者個數(shù)多于消費(fèi)者個數(shù)時， //生產(chǎn)速度快，生產(chǎn)者經(jīng)常等待消費(fèi)者；反之，消費(fèi)者經(jīng)常等待const unsigned short PRODUCERS_COUNT = 3; //生產(chǎn)者的個數(shù)const unsigned short CONSUMERS_COUNT = 1; //消費(fèi)者的個數(shù) //總的線程數(shù)const unsigned short THREADS_COUNT = PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT;HANDLE hThreads[THREADS_COUNT]; //各線程的 handleDWORD producerID[PRODUCERS_COUNT]; //生產(chǎn)者線程的標(biāo)識符DWORD consumerID[CONSUMERS_COUNT]; //消費(fèi)者線程的標(biāo)識符 //創(chuàng)建生產(chǎn)者線程for (int i=0; i<PRODUCERS_COUNT; ++i){hThreads[i]=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producerID[i]);if (hThreads[i]==NULL)return -1;} //創(chuàng)建消費(fèi)者線程for (int i=0; i<CONSUMERS_COUNT; ++i){hThreads[PRODUCERS_COUNT+i]=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumerID[i]);if (hThreads[i]==NULL)return -1;}while(p_ccontinue){if(getchar()) //按回車后終止程序運(yùn)行{p_ccontinue = false;}}return 0; }//生產(chǎn)一個產(chǎn)品。簡單模擬了一下，僅輸出新產(chǎn)品的 ID 號 void Produce() {std::cout << std::endl<< "Producing " << ++ProductID << " ... ";std::cout << "Succeed" << std::endl; } //把新生產(chǎn)的產(chǎn)品放入緩沖區(qū) void Append() {std::cerr << "Appending a product ... ";buffer[in] = ProductID;in = (in+1)%SIZE_OF_BUFFER;std::cerr << "Succeed" << std::endl; //輸出緩沖區(qū)當(dāng)前的狀態(tài)for (int i=0; i<SIZE_OF_BUFFER; ++i){std::cout << i <<": " << buffer[i];if (i==in)std::cout << " <-- 生產(chǎn)";if (i==out)std::cout << " <-- 消費(fèi)";std::cout << std::endl;} } //從緩沖區(qū)中取出一個產(chǎn)品 void Take() {std::cerr << "Taking a product ... ";ConsumeID = buffer[out];buffer[out] = 0;out = (out+1)%SIZE_OF_BUFFER;std::cerr << "Succeed" << std::endl; //輸出緩沖區(qū)當(dāng)前的狀態(tài)for (int i=0; i<SIZE_OF_BUFFER; ++i){std::cout << i <<": " << buffer[i];if (i==in)std::cout << " <-- 生產(chǎn)";if (i==out)std::cout << " <-- 消費(fèi)";std::cout << std::endl;} } //消耗一個產(chǎn)品 void Consume() {std::cout << "Consuming " << ConsumeID << " ... ";std::cout << "Succeed" << std::endl; } //生產(chǎn)者 DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara) {while(p_ccontinue){WaitForSingleObject(EmptySemaphore,INFINITE); //p(empty);WaitForSingleObject(Mutex,INFINITE); //p(mutex);Produce();Append();Sleep(1500);ReleaseMutex(Mutex); //V(mutex);ReleaseSemaphore(FullSemaphore,1,NULL); //V(full);}return 0; } //消費(fèi)者 DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara) {while(p_ccontinue){WaitForSingleObject(FullSemaphore,INFINITE);//P(full);WaitForSingleObject(Mutex,INFINITE); //P(mutex);Take();Consume();Sleep(1500);ReleaseMutex(Mutex); //V(mutex);ReleaseSemaphore(EmptySemaphore,1,NULL); //V(empty);}return 0; }

修改版

#include <windows.h> #include <iostream> const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 2; //緩沖區(qū)長度 unsigned short ProductID = 0; //產(chǎn)品號 unsigned short ConsumeID = 0; //將被消耗的產(chǎn)品號 unsigned short in = 0; //產(chǎn)品進(jìn)緩沖區(qū)時的緩沖區(qū)下標(biāo) unsigned short out = 0; //產(chǎn)品出緩沖區(qū)時的緩沖區(qū)下標(biāo) int buffer[SIZE_OF_BUFFER]; //緩沖區(qū)是個循環(huán)隊列 bool p_ccontinue = true; //控制程序結(jié)束 HANDLE Mutex; //用于線程間的互斥 HANDLE FullSemaphore; //當(dāng)緩沖區(qū)滿時迫使生產(chǎn)者等待 HANDLE EmptySemaphore; //當(dāng)緩沖區(qū)空時迫使消費(fèi)者等待17 DWORD WINAPI Producer(LPVOID); //生產(chǎn)者線程 DWORD WINAPI Consumer(LPVOID); //消費(fèi)者線程int main() { //創(chuàng)建各個互斥信號 //注意，互斥信號量和同步信號量的定義方法不同，互斥信號量調(diào)用的是 CreateMutex 函數(shù)，同步信號量調(diào)用的是 CreateSemaphore 函數(shù)，函數(shù)的返回值都是句柄。/*結(jié)構(gòu)體指針;立即擁有互斥體(true);互斥體對象的名字*/Mutex = CreateSemaphore(NULL,1,1,NULL);/*結(jié)構(gòu)體指針;信號量對象的初始計數(shù);信號量對象的最大計數(shù);信號量對象的名稱*/EmptySemaphore = CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER,SIZE_OF_BUFFER,NULL); //將上句做如下修改，看看結(jié)果會怎樣//EmptySemaphore = CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL);FullSemaphore = CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER,NULL); //調(diào)整下面的數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生產(chǎn)者個數(shù)多于消費(fèi)者個數(shù)時， //生產(chǎn)速度快，生產(chǎn)者經(jīng)常等待消費(fèi)者；反之，消費(fèi)者經(jīng)常等待const unsigned short PRODUCERS_COUNT = 3; //生產(chǎn)者的個數(shù)const unsigned short CONSUMERS_COUNT = 1; //消費(fèi)者的個數(shù) //總的線程數(shù)const unsigned short THREADS_COUNT = PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT;HANDLE hThreads[THREADS_COUNT]; //各線程的 handleDWORD producerID[PRODUCERS_COUNT]; //生產(chǎn)者線程的標(biāo)識符DWORD consumerID[CONSUMERS_COUNT]; //消費(fèi)者線程的標(biāo)識符 //創(chuàng)建生產(chǎn)者線程for (int i=0; i<PRODUCERS_COUNT; ++i){hThreads[i]=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producerID[i]);if (hThreads[i]==NULL)return -1;} //創(chuàng)建消費(fèi)者線程for (int i=0; i<CONSUMERS_COUNT; ++i){hThreads[PRODUCERS_COUNT+i]=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumerID[i]);if (hThreads[i]==NULL)return -1;}while(p_ccontinue){if(getchar()) //按回車后終止程序運(yùn)行{p_ccontinue = false;}}return 0; }//生產(chǎn)一個產(chǎn)品。簡單模擬了一下，僅輸出新產(chǎn)品的 ID 號 void Produce() {std::cout << std::endl<< "Producing " << ++ProductID << " ... ";std::cout << "Succeed" << std::endl; } //把新生產(chǎn)的產(chǎn)品放入緩沖區(qū) void Append() {std::cerr << "Appending a product ... ";buffer[in] = ProductID;in = (in+1)%SIZE_OF_BUFFER;std::cerr << "Succeed" << std::endl; //輸出緩沖區(qū)當(dāng)前的狀態(tài)for (int i=0; i<SIZE_OF_BUFFER; ++i){std::cout << i <<": " << buffer[i];if (i==in)std::cout << " <-- 生產(chǎn)";if (i==out)std::cout << " <-- 消費(fèi)";std::cout << std::endl;} } //從緩沖區(qū)中取出一個產(chǎn)品 void Take() {std::cerr << "Taking a product ... ";ConsumeID = buffer[out];buffer[out] = 0;out = (out+1)%SIZE_OF_BUFFER;std::cerr << "Succeed" << std::endl; //輸出緩沖區(qū)當(dāng)前的狀態(tài)for (int i=0; i<SIZE_OF_BUFFER; ++i){std::cout << i <<": " << buffer[i];if (i==in)std::cout << " <-- 生產(chǎn)";if (i==out)std::cout << " <-- 消費(fèi)";std::cout << std::endl;} } //消耗一個產(chǎn)品 void Consume() {std::cout << "Consuming " << ConsumeID << " ... ";std::cout << "Succeed" << std::endl; } //生產(chǎn)者 DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara) {while(p_ccontinue){WaitForSingleObject(EmptySemaphore,INFINITE); //p(empty);WaitForSingleObject(Mutex,INFINITE); //p(mutex);Produce();Append();Sleep(1500);ReleaseSemaphore(Mutex,1,NULL); //V(mutex);ReleaseSemaphore(FullSemaphore,1,NULL); //V(full);}return 0; } //消費(fèi)者 DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara) {while(p_ccontinue){WaitForSingleObject(FullSemaphore,INFINITE);//P(full);WaitForSingleObject(Mutex,INFINITE); //P(mutex);Take();Consume();Sleep(1500);ReleaseSemaphore(Mutex,1,NULL); //V(mutex);ReleaseSemaphore(EmptySemaphore,1,NULL); //V(empty);}return 0; }

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统课设之Windows 的互斥与同步的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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