天津科技大学操作系统实验1-5(4)

多次运行修改后的程序结果为：

【程序说明】多线程文件夹下

1-1.cpp文件：简单的多线程示例；

1-2.cpp文件：在1.cpp文件中加入循环，使得两个线程交替执行，理解时间片轮转调度，因为在两个线程中存在共享变量，因此执行结果出现不可再现性。

1-3.cpp文件：编写一个模拟火车站售票系统的程序，多窗口售票可采用多线程技术实现。主线程创建两个线程（即两个售票窗口）。

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实验二 Windows线程同步机制

【开发语言及实现平台或实验环境】

C++/C#

Microsoft Visual Studio 6.0/ Microsoft Visual Studio .NET

【实验目的】

(1) 了解Windows线程同步机制；

(2) 了解互斥体，并通过查阅资料理解互斥体对象的使用方法； (3) 了解事件，并通过查阅资料理解事件对象的使用方法； (4) 了解关键区，并通过查阅资料理解关键区对象的使用方法； (5) 了解信号量，并通过查阅资料理解信号量对象的使用方法； (6) 利用Windows线程同步机制，模拟生产者消费者问题。

【实验要求】

(1) 逐程序进行简要分析、运行各程序并仔细阅读注释；

(2) 查阅MSDN或其他资料，掌握相关系统调用使用方法和参数含义； (3) 完成实验报告。

【相关知识】

一、Windows线程同步机制

Windows 下提供了多种内核对象实现线程、进程间的同步和互斥，常用的有： 1、 关键区(临界区Critical Section)

关键区不是内核对象，在用户态实现了同一进程中线程的互斥。由于使用时不需要从用户态切换到核心态，所以速度很快（ X86 系统上约为 20 个指令周期），但其缺点是不能跨进程同步，同时不能指定阻塞时的等待时间，只能无限等待。

使用关键区的方法则使同步管理的效率更高。使用时先定义一个CRITICAL SECTION结构的排斥区对象，在进程使用之前调用如下函数对对象进行初始化：

VOID InitializeCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION);

当一个线程使用排斥区时，调用函数:EnterCriticalSection或者TryEnterCriticalSection; 当要求占用、退出排斥区时，调用函数LeaveCriticalSection，释放对排斥区对象的占用，供其他线程使用。 2、 互斥体( Mutex )

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互斥体实现了和关键区类似的互斥功能，但区别在于：互斥体是内核对象，可以实现跨进程互斥，但需要在用户态和核心态之间切换，速度比关键区慢得多(X86 系统上约为 600 个指令周期)，同时可以指定阻塞时的等待时间。

Mutex对象的状态在它不被任何线程拥有时才有信号，而当它被拥有时则无信号。Mutex对象很适合用来协调多个线程对共享资源的互斥访问。

可按下列步骤使用该对象：

首先，建立互斥体对象，得到句柄：HANDLE CreateMutex();

然后，在线程可能产生冲突的区域前(即访问共享资源之前)调用WaitForSingleObject，将句柄传给函数，请求占用互斥对象：

dwWaitResult=WaitForSingleObject(hMutex,5000L);

共享资源访问结束，释放对互斥体对象的占用：ReleaseMutex(hMutex);

互斥体对象在同一时刻只能被一个线程占用，当互斥体对象被一个线程占用时，若有另一线程想占用它，则必须等到前一线程释放后才能成功。 3、事件(Event)

事件也是内核对象，具有“信号态”和“无信号态”两种状态。当某一线程等待一个事件时，如果事件为信号态，将继续执行，如果事件为无信号态，那么线程被阻塞。线程能够指定阻塞时的等待时间。

例如：只有在通信端口缓冲区收到数据后，监视线程才被激活。事件对象是用CreateEvent函数建立的。该函数可以指定事件对象的类和事件的初始状态。如果是手工重置事件，那么它总是保持有信号状态，直到用ResetEvent函数重置成无信号的事件。如果是自动重置事件，那么它的状态在单个等待线程释放后会自动变为无信号的。用SetEvent可以把事件对象设置成有信号状态。在建立事件时，可以为对象命名，这样其他进程中的线程可以用OpenEvent函数打开指定名字的事件对象句柄。 4、信号量(Semaphore)

信号量是一个资源计数器，当某线程获取某信号量时，信号量计数首先减 1 ，如果计数小于 0 ，那么该线程被阻塞；当某县城释放某信号量时，信号量计数首先加 1 ，如果计数小于或等与 0，那么唤醒某被阻塞的线程并执行之。对信号量的总结如下：

? 如果计数器 m 大于 0 ，表示还有 m 个资源可以访问，此时信号量线程等待队列中没有线程

被阻塞，新的线程访问资源也不会被阻塞；

? 如果计数器 m 等与 0 ，表示没有资源可以访问，此时信号量线程等待队列中没有线程被阻

塞，但新的线程访问资源会被阻塞；

? 如果计数器 m 小于 0 ，表示没有资源可以访问，此时信号量线程等待队列中有 abs （ m ）

个线程被阻塞，新的线程访问资源会被阻塞； 信号量常被用于保证对多个资源进行同步访问。

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可按下列步骤使用该对象：

首先，创建信号对象：HANDLE CreateSemaphoreQ; 或者打开一个信号对象:HANDLE OpenSemaphoreQ; 然后，在线程访问共享资源之前调用:WaitForSingleObject;

共享资源访问完成后，应释放对信号对象的占用:ReleaseSemaphoreQ; 二、生产者－消费者模型 生产者－消费者模型是指：

? 生产者进行生产将物品放入仓库，同一时间只能有一个生产者将物品放入仓库，如果仓库

满，生产者等待。

? 消费者从仓库中取出物品，同一时间只能有一个消费者取出物品，如果仓库空，消费者等

待；

? 生产者将物品放入仓库时消费者不能同时取； ? 消费者取物品时生产者不能放入物品；

总之，就是生产者群体或消费者群体内部是互斥的，两个群体之间是同步的。

当只有一个生产者、消费者时，由于同一群体内部不需要互斥，所以只需在群体之间实 现同步即可。例如可以使用两个 Event/CriticalSection/Mutex/Semaphore 实现同步；

如果有多个生产者和消费者，那么情况会复杂些，需要一个 Event/CriticalSection/Mutex 实现线程之间的互斥，需要两个 Semaphore 实现两个线程群体间的同步。 【实验步骤】

(1) 阅读和理解2-1(mutex).cpp文件中的程序，运行2-1(mutex).cpp，认真观察结果。然后将两个子函数中注释掉的Sleep语句让其可用，再多次运行，认真观察结果，不会出现销售出0号票的情况。比较修改程序前后运行结果发生的变化，并分析其原因。

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(2) 2-2(event).cpp、2-3(critical_section).cpp的处理方式同(1)。

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2-3

分析：修改之前，在指定暂停的时间sleep（1000）内Sleep(1000);//要保证售完40张票之前线程不退出，thread1和thread2随机售票，出现多种情况；将两个子函数中注释掉的sleep（1）语句让其可用后，thread1和thread2交替售票，即thread1在其暂停的时间sleep（1）内，thread2获得了对共享对象hmutex的所有权，开始售票，同理当thread2在其暂停的时间sleep（1）内，thread1获得了对共享对象hmutex的所有权，开始售票，从而实现了交替售票。

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