操作系统实验1_线程同步.docx

发布时间：2022-06-07 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.07M 资料格式：docx 举报版权申诉

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操作系统临界区问题

一、实验目的

二、实验步骤

1、制造混乱

2、解决方案

方案一：mutex 方案

方案二：软件方案

操作系统临界区问题一、实验目的本实验讨论临界区问题及其解决方案。实验首先创建两个共享数据资源的并发线程。在没有同步控制机制的情况下，我们将看到某些异常现象。针对观察到的现象，本实验采用两套解决方案： • 利用Windows 的mutex 机制 • 采用软件方案然后比较这两种方案的性能优劣。二、实验步骤 1、制造混乱 Windows 操作系统支持抢先式调度，这意味着一线程运行一段时间后，操作系统会暂停其运行并启动另一线程。也就是说，进程内的所有线程会以不可预知的步调并发执行。为了制造混乱，我们首先创建两个线程t1 和t2。父线程（主线程）定义两个全局变量，比如accnt1 和accnt2。每个变量表示一个银行账户，其值表示该账户的存款余额，初始值为0。线程模拟在两个账户之间进行转账的交易。也即，每个线程首先读取两个账户的余额，然后产生一个随机数r，在其中一个账户上减去该数，在另一个账户上加上该数。代码如下： #include #include #include int accnt1=0; int accnt2=0; double begin=0; double end=0; double time=0; int a=1; //HANDLE hMutex=CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); DWORD WINAPI run(LPVOID p) { int counter=0; int tmp1,tmp2,r;

//WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE); begin=GetTickCount(); do { tmp1=accnt1; tmp2=accnt2; r=rand(); accnt1=tmp1+r; accnt2=tmp2-r; counter++; } while (accnt1+accnt2==0&&counter<1000000); end=GetTickCount(); time=end-begin; printf("进?程¨¬%d所¨´用®?时º¡À间?为a%lf\n",a,time); a++; //ReleaseMutex(hMutex); counter=0; return 0; } int main(int argc, char *argv[]) { CreateThread(NULL,0,run,NULL,0,NULL); CreateThread(NULL,0,run,NULL,0,NULL); system("PAUSE"); return 0; } 执行结果如下：从运行结果可以看出，每次进程2都可以全部完成，完成一次计数所需要的时间为62ms，而进城1无法全部完成，所用时间不一定。混乱制造成功。

2、解决方案方案一：mutex 方案 Windows 操作系统提供了mutex 对象。mutex 状态可以signaled(unlocked) 或者是nonsignaled (locked)。利用mutex 对象，可以方便地实现临界区保护。进入临界区时（在第一个读操作之前），锁住mutex 对象；离开临界区时（在第二个写操作之后），打开mutex 对象。线程的阻塞与唤醒由系统管理，程序员无需干预。以下给出的是在Windows 操作系统下有关mutex 对象操作的提示。创建一个未上锁mutex 对象的代码如下： #include #include #include int accnt1=0; int accnt2=0; double begin=0; double end=0; double time=0; int a=1; HANDLE hMutex=CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); DWORD WINAPI run(LPVOID p) { int counter=0; int tmp1,tmp2,r; WaitForSingleObject(hMutex,INFINITE); begin=GetTickCount(); do { tmp1=accnt1; tmp2=accnt2; r=rand(); accnt1=tmp1+r; accnt2=tmp2-r; counter++; } while (accnt1+accnt2==0&&counter<1000000); end=GetTickCount(); time=end-begin; printf("进?程¨¬%d所¨´用®?时º¡À间?为a%lf\n",a,time); a++;

ReleaseMutex(hMutex); counter=0; return 0; } int main(int argc, char *argv[]) { CreateThread(NULL,0,run,NULL,0,NULL); CreateThread(NULL,0,run,NULL,0,NULL); system("PAUSE"); return 0; } 运行结果如下：从运行结果可以看出，利用mutex 方案并测定进城运行时间可以看出，两个进程运行时间大体相同，进程运行完全，从而可以认为mutex方案有效的防止了两个进程的相互交叉和阻碍。方案二：软件方案现在假设操作系统没有提供同步原语。这时，我们只能通过编程语言对变量的操作实现临界区保护。下面给出的是一个概念性的解决方案框架： 1 /_ CS Algorithm: Peterson Solution _/ 2 int c1 = 0, c2 = 0, will wait ; 3 cobegin 4 p1: while (1) { 5 c1 = 1; 6 will wait = 1; 7 while( c2 && (will wait==1) ); /_wait loop_/ 8 CS1;

9 c1 = 0; 10 program1; 11 } 12 p2: while (1) { 13 c2 = 1; 14 will wait = 2; 15 while( c1 && (will wait==2) ); /_wait loop_/ 16 CS2; 17 c2 = 0; 18 program2; 19 } 上面的方案使用了三个变量c1; c2 和will wait。线程i 试图进入临界区时首先把变量ci 置为1，接着把变量will wait 的值设置为i（为什么？）阻塞通过临界区之前的循环实现。当线程退出临界区时，又把变量ci 的值设置为0。代码如下： #include #include #include int accnt1=0,accnt2=0; DWORD WINAPI run1(LPVOID p) { int counter=0; int tmp1=0,tmp2=0,r; double begin=0,end=0,time=0; begin=GetTickCount(); do { tmp1=accnt1; tmp2=accnt2; r=rand(); accnt1=tmp1+r; accnt2=tmp2-r; counter++; } while (accnt1+accnt2==0&&counter<1000000); end=GetTickCount(); time=end-begin; printf("进?程¨¬1所¨´用®?时º¡À间?为a%lf",time); counter=0; return 0; }

DWORD WINAPI run2(LPVOID p) { int counter=0; int tmp1=0,tmp2=0,r; double begin=0,end=0,time=0; begin=GetTickCount(); do { tmp1=accnt1; tmp2=accnt2; r=rand(); accnt1=tmp1+r; accnt2=tmp2-r; counter++; } while (accnt1+accnt2==0&&counter<1000000); end=GetTickCount(); time=end-begin; printf("进?程¨¬2所¨´用®?时º¡À间?为a%lf",time); counter=0; return 0; } int main(int argc, char *argv[]) { bool c1=false,c2=false; int will_wait; while(1) { c1=true; will_wait=1; while(c1&&(will_wait==1)) CreateThread(NULL,0,run1,NULL,0,NULL); break; { } c1 = 0; break; }

while(1) { c2=true; will_wait=2; while(c2&&(will_wait==2)) CreateThread(NULL,0,run2,NULL,0,NULL); break; { } c2= 0; break; } system("PAUSE"); return 0; } 运行结果如下：结果分析：从运行结果中可以看出，实验指导书上所提供的软件实验方案并不能是进程加解锁。仔细分析运行结果我们可以看出，两个进城所执行的前后并不固定，这与我们目前所使用电脑的多处理方式有关，此方案并不能成功。

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