第一篇：操作系統(tǒng)-創(chuàng)建線程,利用互斥實現(xiàn)線程共享變量通信介紹

2016-2017學(xué)年度第一學(xué)期大作業(yè)

課程名稱：

操作系統(tǒng)（含課程設(shè)計）

任課教師：

解

曉

萌

作業(yè)題目：

創(chuàng)建線程，利用互斥實現(xiàn)線程共享變量通信

姓

名：

魯

斌

學(xué)

號：

20***0

2專

業(yè)：

計算機科學(xué)與技術(shù)

教學(xué)中心：

寶 安 學(xué) 文

聯(lián)系電話：

***

評審日期__________成績_________評審教師(簽名)__________

華南理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院

“計算機操作系統(tǒng)”課程設(shè)計大作業(yè)

實驗報告

一、題目: 創(chuàng)建線程，利用互斥實現(xiàn)線程共享變量通信

二、目的

掌握線程創(chuàng)建和終止，加深對線程和進程概念的理解，會用同步與互斥方法實現(xiàn)線程之間的通信。

三、概述：

為了確保讀線程讀取到的是經(jīng)過修改的變量，必須在向變量寫入數(shù)據(jù)時禁止其他線程對它的任何訪問，直至賦值過程結(jié)束后再解除對其他線程的訪問限制。這保證了線程了解其他線程任務(wù)處理結(jié)束后的結(jié)果而采取的保護措施稱為線程同步。

從大的方面來講，線程的同步分為用戶模式的線程同步和內(nèi)核對象的線程同步。用戶模式中線程的同步方法有原子訪問和臨界區(qū)等方法。它的特點是同步速度特別快，適合對線程運行速度有嚴(yán)格要求的場合。

內(nèi)核對象的線程同步由事件、等待定時器、信號量以及信號燈等內(nèi)核對象構(gòu)成。由于這同步機制使用了內(nèi)核對象，使用時一定要將線程從用戶模式切換到內(nèi)核模式，而這種轉(zhuǎn)換一般要耗費近千個CPU周期，所以同步速度較慢，但適用性卻要遠優(yōu)于用戶模式的線程 臨界區(qū)

臨界區(qū)是一段獨占對某些共享資源訪問的代碼，在任意時刻只允許一個線程對共享資源進行訪問。通過對多線程的串行化來訪問公共資源或一段代碼，速度快，適合控制數(shù)據(jù)訪問若有多個線程試圖同時訪問臨界區(qū)，那么在有一個線程進入后其他所有試圖訪問此臨界區(qū)的線程將被掛起，并一直持續(xù)到進入臨界區(qū)的線程離開。臨界區(qū)在被釋放后，其他線程可繼續(xù)搶占，并以此達到用原子方式操作共享資源的目的。

使用臨界區(qū)保持線程同步

以下是通過一段代碼說明了臨界區(qū)在保護多線程訪問共享資源中的作用。通過兩個線程分別對全局變量g_cArray[10]進行寫入操作，用臨界區(qū)結(jié)構(gòu)對象g_cs來保持線程的同步，并在開啟線程前對它進行初始化。為了使實驗效果更

明顯，體現(xiàn)出臨界區(qū)的作用，在線程函數(shù)對共享資源g_cArray[10]的寫入時，以Sleep（）函數(shù)延遲1毫秒，令其他線程同它搶占CPU的可能性加大。若不用臨界區(qū)對它進行保護，則共享資源數(shù)據(jù)將被破壞，但使用臨界區(qū)對線程保持同步后就可得到正確的結(jié)果。代碼如下：

// 臨界區(qū)結(jié)構(gòu)對象 CRITICAL_SECTION g_cs;// 共享資源 char g_cArray[10];UINT ThreadProc10(LPVOID pParam){ // 進入臨界區(qū)

EnterCriticalSection(&g_cs);// 對共享資源進行寫入操作

for(int i = 0;i < 10;i++){

g_cArray[i] = 'a';

Sleep(1);} // 離開臨界區(qū)

LeaveCriticalSection(&g_cs);return 0;} UINT ThreadProc11(LPVOID pParam){ // 進入臨界區(qū)

EnterCriticalSection(&g_cs);// 對共享資源進行寫入操作

for(int i = 0;i < 10;i++){

g_cArray[101] = 'b';

Sleep(1);} // 離開臨界區(qū)

LeaveCriticalSection(&g_cs);return 0;} // 臨界區(qū)結(jié)構(gòu)對象 CRITICAL_SECTION g_cs;// 共享資源 char g_cArray[10];UINT ThreadProc10(LPVOID pParam){ // 進入臨界區(qū)

EnterCriticalSection(&g_cs);// 對共享資源進行寫入操作

for(int i = 0;i < 10;i++){

g_cArray[i] = 'a';

Sleep(1);} // 離開臨界區(qū)

LeaveCriticalSection(&g_cs);return 0;} UINT ThreadProc11(LPVOID pParam){ // 進入臨界區(qū)

EnterCriticalSection(&g_cs);

// 對共享資源進行寫入操作

for(int i = 0;i < 10;i++){

g_cArray[101] = 'b';

Sleep(1);} // 離開臨界區(qū)

LeaveCriticalSection(&g_cs);return 0;} ……

void CSample08View::OnCriticalSection(){ // 初始化臨界區(qū)

InitializeCriticalSection(&g_cs);// 啟動線程

AfxBeginThread(ThreadProc10, NULL);AfxBeginThread(ThreadProc11, NULL);// 等待計算完畢

Sleep(300);// 報告計算結(jié)果

CString sResult = CString(g_cArray);AfxMessageBox(sResult);}

信號量內(nèi)核對象

信號量內(nèi)核，允許多個線程在同一時刻訪問同一資源，但需限制在同一時刻訪問此資源的最大線程數(shù)目。在用CreateSemaphore（）創(chuàng)建信號量時應(yīng)要同時指出允許的最大資源計數(shù)和當(dāng)前可用資源計數(shù)。一般將當(dāng)前可用資源計數(shù)設(shè)

為最大資源計數(shù)，每增一個線程對共享資源的訪問，當(dāng)前可用資源計數(shù)就減1，只要當(dāng)前可用資源計數(shù)大于0的，就可發(fā)出信號量信號。但當(dāng)前可用計數(shù)減小到0時則說明當(dāng)前占用資源的線程數(shù)已達到了所允許的最大數(shù)目，不能在允許其他線程的進入，這時的信號量信號將無法發(fā)出。線程在處理完共享資源后，應(yīng)在離開的同時通過ReleaseSemaphore（）函數(shù)將當(dāng)前可用資源計數(shù)加1。在任何時候當(dāng)前可用資源計數(shù)決不能大于最大資源計數(shù)。

使用信號量內(nèi)核對象進行線程同步主要會用到OpenSemaphore（）、ReleaseSemaphore（）、CreateSemaphore（）、WaitForMultipleObjects（）和WaitForSingleObject（）等函數(shù)。其中，CreateSemaphore（）是用來創(chuàng)建一個信號量內(nèi)核對象，其函數(shù)原型為：

HANDLE CreateSemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, // 安全屬性指針

LONG lInitialCount, // 初始計數(shù)

LONG lMaximumCount, // 最大計數(shù)

LPCTSTR lpName // 對象名指針);參數(shù)lMaximumCount是一個有符號32位值，定義了允許的最大資源計數(shù)，最大取值不超過4294967295。lpName參數(shù)可為創(chuàng)建的信號量定義一個名字，由于其創(chuàng)建的是一個內(nèi)核對象，所以在其他進程中可通過該名字而得到此信號量。OpenSemaphore（）函數(shù)即可用來根據(jù)信號量名打開在其他進程中創(chuàng)建的信號量，函數(shù)原型如下：

HANDLE OpenSemaphore(DWORD dwDesiredAccess, // 訪問標(biāo)志

BOOL bInheritHandle, // 繼承標(biāo)志

LPCTSTR lpName // 信號量名);在線程離開對共享資源的處理時，一定要通過ReleaseSemaphore（）來增加當(dāng)前可用資源計數(shù)。否則將會導(dǎo)致當(dāng)前正在處理共享資源的實際線程數(shù)并不能達到要限制的數(shù)值，而其他線程卻因為當(dāng)前可用資源計數(shù)為0但仍無法進入的情況。ReleaseSemaphore（）的函數(shù)原型為：

BOOL ReleaseSemaphore(HANDLE hSemaphore, // 信號量句柄

LONG lReleaseCount, // 計數(shù)遞增數(shù)量

LPLONG lpPreviousCount // 先前計數(shù));互斥是用途廣泛的內(nèi)核對象。能保證多個線程對同一共享資源的互斥訪問。只有擁有互斥對象的線程才具有訪問資源的權(quán)限，由于互斥對象只有一個，所以就決定了無論在什么情況下，這共享資源都不會同時被多個線程所訪問。當(dāng)前占據(jù)資源的線程在任務(wù)處理完后應(yīng)將擁有的互斥對象交出，便于其他線程在獲得后得以訪問資源?；コ鈱ο笤诓僮飨到y(tǒng)中擁有特殊代碼，并由操作系統(tǒng)來管理，操作系統(tǒng)甚至還允許它進行一些其他內(nèi)核對象不能進行的非常規(guī)操作。為了便于理解，可參照互斥內(nèi)核

用互斥內(nèi)核對象來保持線程同步可能用到的函數(shù)有OpenMutex（）、ReleaseMutex（）、CreateMutex（）、WaitForSingleObject（）和WaitForMultipleObjects（）等。

在使用互斥對象前，首先要通過CreateMutex（）或OpenMutex（）創(chuàng)建或打開一個互斥對象。CreateMutex（）函數(shù)原型為：

// 互斥對象

HANDLE hMutex = NULL;har g_cArray[10];UINT ThreadProc18(LPVOID pParam){ // 等待互斥對象通知

WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);// 對共享資源進行寫入操作

for(int i = 0;i < 10;i++){

g_cArray[i] = 'a';

Sleep(1);} // 釋放互斥對象

ReleaseMutex(hMutex);return 0;} UINT ThreadProc19(LPVOID pParam){ // 等待互斥對象通知

WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);// 對共享資源進行寫入操作

for(int i = 0;i < 10;i++){

g_cArray[101] = 'b';

Sleep(1);} // 釋放互斥對象

ReleaseMutex(hMutex);return 0;} ……

void CSample08View::OnMutex(){ // 創(chuàng)建互斥對象

hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);// 啟動線程

AfxBeginThread(ThreadProc18, NULL);AfxBeginThread(ThreadProc19, NULL);// 等待計算完畢

Sleep(300);// 報告計算結(jié)果

CString sResult = CString(g_cArray);AfxMessageBox(sResult);}// MFC互斥類對象

CMutex g_clsMutex(FALSE, NULL);UINT ThreadProc27(LPVOID pParam){ // 等待互斥對象通知

g_clsMutex.Lock();// 對共享資源進行寫入操作

for(int i = 0;i < 10;i++){

g_cArray[i] = 'a';

Sleep(1);} // 釋放互斥對象

g_clsMutex.Unlock();return 0;} UINT ThreadProc28(LPVOID pParam){ // 等待互斥對象通知

g_clsMutex.Lock();// 對共享資源進行寫入操作

for(int i = 0;i < 10;i++){

g_cArray[101] = 'b';

Sleep(1);

} // 釋放互斥對象

g_clsMutex.Unlock();return 0;} ……

void CSample08View::OnMutexMfc(){ // 啟動線程

AfxBeginThread(ThreadProc27, NULL);AfxBeginThread(ThreadProc28, NULL);// 等待計算完畢

Sleep(300);// 報告計算結(jié)果

CString sResult = CString(g_cArray);AfxMessageBox(sResult);} 設(shè)計體會

1、線程能更好地提高程序的并行執(zhí)行程度，充分地發(fā)揮多處理機的優(yōu)越性。

2、線程減少了程序并發(fā)執(zhí)行時所付出的時空開銷，使OS具有更好的并發(fā)性。

3、線程的使用使程序處理更快更靈活，而這靈活同樣也帶來各種不確定性的可能。特別是在多個線程對同一公共變量進行訪問時，雖然未使用線程同步的程序代碼在邏輯上可能沒有什么問題，但為了確保程序的正確、可靠運行，一定要在適當(dāng)?shù)膱龊喜扇【€程同步措施。

4.線程有效地提高系統(tǒng)資源的利用率和系統(tǒng)的吞吐量。