【操作系统】多线程同步与互斥

一. 实验目的

（1）加强对进程同步和互斥的理解，学会使用信号量解决资源共享问题。

（2）熟悉Linux 进程同步原语。

（3）掌握信号量wait/signal 原语的使用方法，理解信号量的定义、赋初值及wait/signal操作

二. 实验内容

（1）编写程序，使用Linux操作系统中的信号量机制模拟实现生产者-消费者问题。设有一个生产者和一个消费者，缓冲区可以存放产品，生产者不断生成产品放入缓冲区，消费者不断从缓冲区中取出产品，消费产品。

（2）以上实验只模拟了一个产品的放入与取出，请修改代码，以模拟实现多个产品的放入与取出。

三. 实验步骤

（1）编写程序，使用Linux操作系统中的信号量机制模拟实现生产者-消费者问题。设有一个生产者和一个消费者，缓冲区可以存放产品，生产者不断生成产品放入缓冲区，消费者不断从缓冲区中取出产品，消费产品。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <semaphore.h>
#define SIZE 256
sem_t empty, full, mutex;
char *buffer;
void *producer()
{
    sem_wait(&empty); 
    sem_wait(&mutex); 
    printf("input something to buffer:\n");
    buffer = (char *)malloc(SIZE);
    fgets(buffer, SIZE, stdin);
    sem_post(&mutex); 
    sem_post(&full); 
}
void *consumer()
{
    sem_wait(&full); 
    sem_wait(&mutex);
    printf("read product from buffer: %s\n", buffer);
    memset(buffer, 0, SIZE);
    sem_post(&mutex); 
    sem_post(&empty); 
}
int main()
{
    pthread_t id_producer, id_consumer;
    int ret;
    sem_init(&empty, 0, 1); 
    sem_init(&full, 0, 0); 
    sem_init(&mutex, 0, 1); 
    ret = pthread_create(&id_producer, NULL, producer, NULL);
    ret = pthread_create(&id_consumer, NULL, consumer, NULL); 
    pthread_join(id_producer, NULL);
    pthread_join(id_consumer, NULL);
    sem_destroy(&empty);
    sem_destroy(&full);
    sem_destroy(&mutex);
    printf("The End ...\n");
    return 0;
}

该程序实现了生产者和消费者问题的解决方案，使用了三个信号量（empty、full和mutex）来控制生产和消费的进程访问缓冲区。

首先，程序定义了一个缓冲区（buffer），大小为256字节，用于生产者和消费者的数据交换。然后，使用了三个信号量来控制进程访问缓冲区的情况，其中，empty是缓冲区为空时的信号量，full是缓冲区为满时的信号量，mutex是用于保护缓冲区的互斥锁。

在producer函数中，生产者使用了P操作（sem_wait）操作empty和mutex信号量。如果empty信号量的值大于0，则表示缓冲区未满，可以向缓冲区中添加数据，否则就需要等待。同时，使用互斥锁mutex来保证缓冲区的同步访问。之后，生产者从标准输入中读取数据，将数据添加到缓冲区，并使用V操作（sem_post）操作mutex和full信号量，以此通知消费者缓冲区已经有数据可以读取。

在consumer函数中，消费者使用了P操作操作full和mutex信号量。如果full信号量的值大于0，则表示缓冲区有数据，可以读取，否则就需要等待。同样地，使用互斥锁mutex来保证缓冲区的同步访问。之后，消费者从缓冲区中读取数据，并将缓冲区清空。最后，使用V操作操作mutex和empty信号量，以此通知生产者缓冲区已经可写入新的数据。

在main函数中，创建了生产者和消费者进程，并等待它们完成。最后，使用sem_destroy函数来销毁信号量，并输出程序结束的信息。

总之，该程序使用了信号量来实现线程之间的同步，解决了生产者和消费者问题，保证了线程安全性和数据交换的可靠性。

（2）以上实验只模拟了一个产品的放入与取出，请修改代码，以模拟实现多个产品的放入与取出。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <semaphore.h>
#define SIZE 256
sem_t empty, full, mutex;
char *buffer;
void *producer()
{
    while(1){
  sem_wait(&empty); 
  sem_wait(&mutex); 
  printf("input something to buffer:\n");
  buffer = (char *)malloc(SIZE);
  fgets(buffer, SIZE, stdin);
  sem_post(&mutex); 
  sem_post(&full); 
    }
}
void *consumer()
{
    while(1){
  sem_wait(&full); 
  sem_wait(&mutex);
  printf("read product from buffer: %s\n", buffer);
  memset(buffer, 0, SIZE);
  sem_post(&mutex); 
  sem_post(&empty); 
    }
}
int main()
{
    pthread_t id_producer, id_consumer;
    int ret;
    sem_init(&empty, 0, 1); 
    sem_init(&full, 0, 0); 
    sem_init(&mutex, 0, 1); 
    ret = pthread_create(&id_producer, NULL, producer, NULL);
    ret = pthread_create(&id_consumer, NULL, consumer, NULL); 
    pthread_join(id_producer, NULL);
    pthread_join(id_consumer, NULL);
    sem_destroy(&empty);
    sem_destroy(&full);
    sem_destroy(&mutex);
    printf("The End ...\n");
    return 0;
}

该程序是一个典型的生产者消费者问题的解决方案，使用了三个信号量（empty、full和mutex）来控制生产者和消费者访问缓冲区。不同之处在于，程序使用了while(1)循环，可以使生产者和消费者持续地向缓冲区中添加或读取数据，并避免在处理完一次数据后就退出的情况发生。

程序开始时，定义了一个缓冲区（buffer），大小为256字节，用于生产者和消费者的数据交换。接着，使用了三个信号量来控制进程访问缓冲区的情况，其中，empty是缓冲区为空时的信号量，full是缓冲区为满时的信号量，mutex是用于保护缓冲区的互斥锁。

在producer函数中，生产者使用了while(1)循环，表示生产者会一直运行下去。在循环中，生产者使用了P操作（sem_wait）操作empty和mutex信号量。如果empty信号量的值大于0，则表示缓冲区未满，可以向缓冲区中添加数据，否则就需要等待。同时，使用互斥锁mutex来保证缓冲区的同步访问。之后，生产者从标准输入中读取数据，将数据添加到缓冲区，并使用V操作（sem_post）操作mutex和full信号量，以此通知消费者缓冲区已经有数据可以读取。

在consumer函数中，消费者使用了while(1)循环，表示消费者会一直运行下去。在循环中，消费者使用了P操作操作full和mutex信号量。如果full信号量的值大于0，则表示缓冲区有数据，可以读取，否则就需要等待。同样地，使用互斥锁mutex来保证缓冲区的同步访问。之后，消费者从缓冲区中读取数据，并将缓冲区清空。最后，使用V操作操作mutex和empty信号量，以此通知生产者缓冲区已经可写入新的数据。

在main函数中，创建了生产者和消费者线程，并等待它们完成。最后，使用sem_destroy函数来销毁信号量，并输出程序结束的信息。

总之，该程序使用了信号量和互斥锁来实现线程之间的同步，解决了生产者和消费者问题，保证了线程安全性和数据交换的可靠性。使用while(1)循环可以使生产者和消费者持续地向缓冲区中添加或读取数据，并提高了程序的实用性。

四. 实验结果

（1）编写程序，使用Linux操作系统中的信号量机制模拟实现生产者-消费者问题。设有一个生产者和一个消费者，缓冲区可以存放产品，生产者不断生成产品放入缓冲区，消费者不断从缓冲区中取出产品，消费产品。

（2）以上实验只模拟了一个产品的放入与取出，请修改代码，以模拟实现多个产品的放入与取出。

五. 实验总结

本实验是通过对Linux操作系统中的信号量机制进行模拟实现，来深入理解多线程同步与互斥的概念和基本方法，同时也是对生产者-消费者模型的一个实际应用。

通过本次实验，我们深入了解了信号量的概念、使用方法以及相关的函数，并通过对生产者-消费者问题的模拟，掌握了相关的同步互斥机制。在实现过程中，我们使用了一个互斥信号量mutex来控制缓冲区和生产者、消费者之间的竞争，并使用了两个信号量full，empty来分别控制缓冲区是否已满或已空，从而实现了生产者和消费者之间的同步与互斥。

在实验中，我们还发现了一些问题和需要注意的地方。例如，在使用信号量时，需要保证每次操作都是原子操作，否则可能出现竞争条件，从而破坏了同步互斥机制。此外，还需要注意信号量的初始化以及销毁等问题，否则可能会出现资源泄漏等问题。

通过本次实验，我们不仅实现了生产者-消费者模型，并且深入理解了多线程同步与互斥的概念和方法，同时也锻炼了自己的编程能力和阅读和理解他人代码的能力。在今后的学习和工作中，我们将更好地应用信号量机制和多线程编程，并不断深化对操作系统和计算机原理的理解。