README

本实验报告仅供参考，请勿直接抄袭！

一、实验目的

通过实验，掌握 Windows 和 Linux 环境下互斥锁和信号量的实现方法，加深对临界区问题和进程同步机制的理解，同时熟悉利用 Windows API 和 Pthread API 进行多线程编程的方法。

二、实验内容

在 Windows 操作系统上，利用 Win32 API 提供的信号量机制，编写应用程序实现生产者——消费者问题。
在 Linux 操作系统上，利用 Pthread API 提供的信号量机制，编写应用程序实现生产者——消费者问题。
两种环境下，生产者和消费者均作为独立线程，并通过 empty、full、mutex 三个信号量实现对缓冲进行插入与删除。
通过打印缓冲区中的内容至屏幕，来验证应用程序的正确性。具体内容可参见“Operating System Concepts (Seventh Edition)” Chapter 6 后的 Project(P236-241)。

三、实验步骤

首先写出解决生产者——消费者问题的伪代码，如下图所示:
查阅Win32 API提供的信号量机制和Pthread API提供的信号量机制，掌握HANDLE、CreateSemaphore、WaitForSingleObject、ReleaseSemaphore、CreateThread和sem_t、sem_init、sem_wait、sem_post、pthread_create等变量和函数的用法;
将第1步中的伪代码实现成可运行的代码:首先声明三个信号量——互斥信号量Mutex、计数信号量Empty和计数信号量Full，再声明缓冲区Buffer(1代表该位置有产品，0代表该位置没有产品)，其大小为SizeOfBuffer，其中Empty的初始值为SizeOfBuffer，Full的初始值为0，Mutex的初始值为1;然后分别根据伪代码实现生产者线程produce和消费者线程consume;最后在main()中创建多线程——5个生产者和5个生产者，并使主线程等待一定时间;

四、主要数据结构及其说明

HANDLE:初始化函数为 HANDLE CreateSemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, LONG lInitialCount, LONG lMaximumCount, LPCTSTR lpName)，其中第一个参数表示安全控制，一般直接传入NULL，第二个参数表示初始资源数量，第三个参数表示最大并发数量，第四个参数表示信号量名称，传入NULL表示匿名信号量，返回值为创建好的HANDLE;
wait操作为DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle, DWORDdwMilliseconds)，其中第一个参数为要等待的HANDLE，第二个参数为Timeout时间，一般设为最大值INFINITE;
signal操作为BOOL ReleaseSemaphore(HANDLE hSemaphore, LONG lReleaseCount, LPLONG lpPreviousCount)，其中第一个参数为被操作的信号量，第二个参数为增加的值，第三个参数为指向返回信号量上次值的变量的指针，如果不需要信号量上次的值，那么这个参数可以设置为NULL，该函数如果成功返回TRUE，否则返回FALSE;
sem_t:初始化函数为int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)，其中第一个参数为需要初始化的sem_t的地址，第二个参数决定了信号量能否在进程之间共享，第三个参数为该信号量值的大小;
wai操作为int sem_wait(sem_t * sem)，参数为需要操作的信号量，该函数成功返回0，失败的话信号量的值不变，返回-1;
signal操作为int sem_post(sem_t *sem)，参数为需要操作的信号量，该函数成功返回0，失败的话信号量的值不变，返回-1;

五、程序运行时的初值和运行结果

Windows操作系统：
Linux操作系统：

六、实验体会

实验中产生的错误以及原因分析以及解决过程:在Linux操作系统下使用终端运行程序时，输出文件中总是提示“段错误(核心已转储)”。在CSDN上查阅了相关资料后，首先推断可能是栈空间大小不足，于是在终端中使用ulimit -c unlimited和ulimit -s 819200两条指令扩大源文件大小以及栈空间大小。再次编译运行，发现依然出现相同的问题。排除了栈空间不足这个原因之后，推断可能是访问了不存在的内存地址，即指针越界。于是逐行检查各个涉及到指针的代码的运行状况。最后发现是刚开始的时候为图方便，在没有查看函数参数含义的情况下，直接将创建线程的函数写为了pthread_create(NULL, NULL, produce, NULL)，而该函数的前两个参数是不能为NULL的，否则就会出现指针越界。将此处代码修改后，再次编译运行，发现可以正确运行了!

实验的体会及收获:不可以为求省事就不查看函数的参数列表以及每个参数的取值范围，否则就会出现很难排查出来的错误。幸好此次试验的代码体量较小，只有大约100行左右，排查错误较为简单。然而，如果是在大型实验中，像本次这种指针越界的Bug，是非常难排查出来的。所以，在今后的实验中，我不能再犯这种低级错误!

七、源程序

OnWindows：

#include<iostream>
#include<stdio.h>
#include<windows.h>
using namespace std;HANDLE Mutex;//互斥信号
HANDLE Full;//计数信号 ，代表目前缓冲区内有几个位置已满
HANDLE Empty;//计数信号 ，代表目前缓冲区内有几个位置是空的
const int SizeOfBuffer = 10;//缓冲区的大小，即有几个位置
int* Buffer;//缓冲区//显示缓冲区当前的存储情况
void showBuffer()
{cout << "目前缓冲区的存储情况:";for (int i = 0; i < SizeOfBuffer; ++i){cout << Buffer[i] << " ";}cout << endl;
}//生产者线程
DWORD WINAPI produce(LPVOID param)
{do{WaitForSingleObject(Empty, INFINITE);//等待缓冲区中有空位WaitForSingleObject(Mutex, INFINITE);//对缓冲区形成互斥访问//寻找缓冲区里面的一个空位置for (int i = 0; i < SizeOfBuffer; ++i){if (Buffer[i] == 0){Buffer[i] = 1;//放置产品cout<<"ID为"<<GetCurrentThreadId()<<"的生产者在缓冲区的 第"<<i<<"个位置放置一个产品"<<endl;showBuffer();break;}}ReleaseSemaphore(Mutex, 1, NULL);//释放互斥信号量MutexReleaseSemaphore(Full, 1, NULL);//使Full加一} while (true);return 0;
}//消费者线程
DWORD WINAPI consume(LPVOID param)
{do{WaitForSingleObject(Full, INFINITE);//等待缓冲区中有产品WaitForSingleObject(Mutex, INFINITE);//对缓冲区形成互斥访问//寻找缓冲区里面的一个有产品的位置for (int i = 0; i < SizeOfBuffer; ++i){if (Buffer[i] == 1){Buffer[i] = 0;//»°◊ﬂ≤˙∆∑cout << "ID为" << GetCurrentThreadId() << "的消费者在缓冲区的第" << i << "个位置取走了一个产品" << endl;showBuffer();break;}}ReleaseSemaphore(Mutex, 1, NULL);//释放互斥信号量MutexReleaseSemaphore(Empty, 1, NULL);//使Empty加一} while (true);return 0;
}int main()
{Empty = CreateSemaphore(NULL, 10, 10, NULL);//初始化Empty，初始值设为10，最大值为10Full = CreateSemaphore(NULL, 0, 10, NULL);//初始化Full，初始值设为0，最大值为10Mutex = CreateSemaphore(NULL, 1, 1, NULL);//初始化Mutex，初始值设为1//初始化缓冲区Buffer = new int[SizeOfBuffer];for (int i = 0; i < SizeOfBuffer; ++i){Buffer[i] = 0;}//创建5个生产者线程和5个消费者线程for (int i = 0; i < 5; ++i){CreateThread(NULL, 0, consume, NULL, 0, NULL);CreateThread(NULL, 0, produce, NULL, 0, NULL);}//让主线程等待一定的时间Sleep(1000);
}

OnLinux：

#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdint.h>
#include<unistd.h>
#include<semaphore.h>//缓冲区的大小，即有几个位置
#define SizeOfBuffer 5sem_t Mutex;//互斥信号量
sem_t Full;//计数信号量，代表目前缓冲区内有几个位置已满
sem_t Empty;//计数信号量，代表目前缓冲区内有几个位置为空
int *Buffer;//缓冲区，1代表有产品，0代表没有产品//显示缓冲区当前的存储情况
void showBuffer()
{printf("\t缓冲区：");for(int i = 0; i < SizeOfBuffer; ++i){printf("%d", Buffer[i]);printf(" ");}printf("\n");
}//生产者线程
void *produce(void *arg)
{do{sem_wait(&Empty);//等待缓冲区中有空位sem_wait(&Mutex);//对缓冲区形成互斥访问//寻找缓冲区里面的一个空位置for(int i = 0; i < SizeOfBuffer; ++i){if(Buffer[i] == 0){Buffer[i] = 1;//放置产品printf("%s%lu%s%d%s", "ID为", pthread_self(), "的生产者在缓冲区的第", i, "个位置放置了一个产品");showBuffer();break;}}sem_post(&Mutex);//释放互斥信号量Mutexsem_post(&Full);//使Full加1}while(true);
}//消费者线程
void *consume(void *arg)
{do{sem_wait(&Full);//等待缓冲区中有空位sem_wait(&Mutex);//对缓冲区形成互斥访问//寻找缓冲区里面的一个产品for(int i = 0; i < SizeOfBuffer; ++i){if(Buffer[i] == 1){Buffer[i] = 0;//取走产品printf("%s%lu%s%d%s", "ID为", pthread_self(), "的消费者在缓冲区的第", i, "个位置取走了一个产品");showBuffer();break;}}sem_post(&Mutex);//释放互斥信号量Mutexsem_post(&Empty);//使Empty加1}while(true);
}int main()
{//初始化Buffer数组Buffer = (int*)malloc(SizeOfBuffer*sizeof(int*));//Buffer = new int[SizeOfBuffer];for(int i = 0; i < SizeOfBuffer; ++i){Buffer[i] = 0;}sem_init(&Mutex, 1, 1);//初始化Mutex为1sem_init(&Empty, 0, 10);//初始化Empty为10sem_init(&Full, 0, 0);//初始化Full为0pthread_t tid[10];pthread_attr_t attr;pthread_attr_init(&attr);//创建5个消费者线程和5个生产者线程for(int i = 0; i < SizeOfBuffer; ++i){pthread_create(&tid[i], &attr, consume, NULL);pthread_create(&tid[i + 5], &attr, produce, NULL);}sleep(0.999);return 0;
}

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