进程通信与进程同步机制实现.docx

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进程通信与进程同步机制实现

一．课程设计题目

某银行提供10个服务窗口（7个对私服务窗口，3个对公服务窗口）和100个供顾客等待的座位。

顾客到达银行时，若有空座位，则到取号机上领取一个号，等待叫号。

取号机每次仅允许一位顾客使用，有对公和对私两类号，美味顾客只能选取其中一个。

当营业员空闲时，通过叫号选取一位顾客，并为其服务。

请用P、V操作写出进程的同步算法。

二．课程设计目的

1、掌握基本的同步与互斥算法，理解银行排队系统操作模型。

2、学习使用Windows2000/XP中基本的同步对象，掌握相关API的使用方法。

3、了解Windows2000/XP中多线程的并发执行机制，实现进程的同步与互斥。

三．课程设计要求

◆学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则；

◆学习了解Windows同步对象及其特性；

◆熟悉实验环境，掌握相关API的使用方法；

◆设计程序，实现生产者/消费者进程（线程）的同步与互斥；

◆提交实验报告。

四．需要了解的知识

1.同步对象

同步对象是指Windows中用于实现同步与互斥的实体，包括信号量（Semaphore）、互斥量（Mutex）、临界区（CriticalSection）和事件（Events）等。

本实验中使用到信号量、互斥量和临界区三个同步对象。

2.同步对象的使用步骤：

◆创建/初始化同步对象。

◆请求同步对象，进入临界区（互斥量上锁）。

◆释放同步对象（互斥量解锁）。

五．需要用到的API函数及相关函数

我们利用WindowsSDK提供的API编程实现实验题目要求，而VC中包含有WindowsSDK的所有工具和定义。

要使用这些API，需要包含堆这些函数进行说明的SDK头文件——最常见的是Windows.h（特殊的API调用还需要包含其他头文件）。

本实验使用到的API的功能和使用方法简单介绍

1、WaitForSingleObject（hSemaphoreChairs,INFINITE）;

WaitForSingleObject（hMutex,INFINITE）;

●功能——使程序处于等待状态，直到信号量hHandle出现（即其值大于等于1）或超过规定的等待时间

●格式

DWORDWaitForSingleObject（HANDLEhHandle,DWORDdwMilliseconds）;

●参数说明

hHandle——信号量指针。

dwMilliseconds——等待的最长时间（INFINITE为无限等待）。

2、ReleaseMutex（hMutex）;

●功能——打开互斥锁，即把互斥量加1。

成功调用则返回0

●格式

BOOLReleaseMutex（HANDLEhMutex）;

ReleaseSemaphore（hSemaphoreShoppers,1,NULL）;

●功能——对指定信号量加上一个指定大小的量。

成功执行则返回非0值

●格式

BOOLReleaseSemaphore（HANDLEhSemaphore,

LONGlReleaseCount,

LPLONGlppreviousCount）;

●参数说明

hSemaphore——信号量指针。

lReleaseCount——信号量的增量。

lppreviousCount——保存信号量当前值。

3、hShoppersThread=CreateThread（NULL,0,fnTreadFunction,NULL,0,NULL）;

CreateThread

●功能——创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程

●格式

HANDLECreateThread（LPSECURITY_ATTRIBUTESlpThreadAttributes,

DWORDdwStackSize,

LPTHREAD_START_ROUTINElpStartAddress,

LPVOIDlpParamiter,

DWORDdwCreationFlags,

LpdwordlpThread）;

●参数说明

lpThreadAttributes——指向一个LPSECURITY_ATTRIBUTES（新线程的安全性描述符）。

dwStackSize——定义原始堆栈大小。

lpStartAddress——指向使用LPTHRAED_START_ROUTINE类型定义的函数。

lpParamiter——定义一个给进程传递参数的指针。

dwCreationFlags——定义控制线程创建的附加标志。

lpThread——保存线程标志符（32位）

4、hMutex=CreateMutex（NULL,FALSE,NULL）;

hMutexBarber=CreateMutex（NULL,FALSE,NULL）;

●功能——创建一个命名或匿名的互斥量对象

●格式

HANDLECreateMutex（LPSECURITY_ATTRIBUTESlpMutexAttributes,

BOOLbInitialOwner,

LPCTSTRlpName）;

5.hSemaphoreChairs=CreateSemaphore（NULL,dwWaitVolume,dwWaitVolume,NULL）;

hSemaphoreShoppers=CreateSemaphore（NULL,0,dwWaitVolume,NULL）;

●功能——创建一个命名或匿名的信号量对象

●格式

HANDLECreateSemaphore（LPSECURITY_ATTRIBUTESlpSemaphoreAttributes,

LONGlInitialCount,

LONGlMaximumCount,

LPCTSTRlpName）;

●参数说明

lpSemaphoreAttributes——必须取值NULL。

lInitialCount——信号量的初始值。

该值大于0，但小于lMaximumCount指定的最大值。

lMaximumCount——信号量的最大值。

lpName——信号量名称。

hBarberThread=CreateThread（NULL,0,fnBarberFunction,NULL,0,NULL）;

●功能——创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程

●格式

HANDLECreateThread（LPSECURITY_ATTRIBUTESlpThreadAttributes,

DWORDdwStackSize,

LPTHREAD_START_ROUTINElpStartAddress,

LPVOIDlpParamiter,

DWORDdwCreationFlags,

LpdwordlpThread）;

●参数说明

lpThreadAttributes——指向一个LPSECURITY_ATTRIBUTES（新线程的安全性描述符）。

dwStackSize——定义原始堆栈大小。

lpStartAddress——指向使用LPTHRAED_START_ROUTINE类型定义的函数。

lpParamiter——定义一个给进程传递参数的指针。

dwCreationFlags——定义控制线程创建的附加标志。

lpThread——保存线程标志符（32位）

六．原理及算法

1、信号量设置

hMutex：

取号机互斥信号量

hSemaphorePubCus：

等待对公服务顾客的数量

hSemaphorePriCus:

等待对私服务顾客的数量

hSemaphoreSeats：

剩余空座位的数量

2、线程创建

fnPubser1，fnPubser2，fnPubser3：

3个对公窗口线程

fnPriser1，fnPriser2，fnPriser3，fnPriser4，fnPriser5，fnPriser6，

fnPriser7：

7个对私窗口线程

fnPubTreadFunction：

对公顾客线程

fnPriTreadFunction：

对私顾客线程

seat：

可用座位数量

Pubcus=0：

初始对公顾客等待数量

Pricus=0：

初始对私顾客等待数量

dwCustoms=0：

初始顾客排队数量

3、P、V操作

semaphorehMutex,hSemaphorePubCus,hSemaphorePriCus,hSemaphoreSeats;

intseat，Pubcus=0，Pricus=0，dwCustoms=0；

hMutex.value=1;hSemaphorePubCus.value=0;hSemaphorePriCus.value=0;hSemaphoreSeats.value=seat;

processA//顾客线程

{inti=0;

p（&hSemaphoreSeats）;

p（&hMutex）;

在取号机上取号；

intset=rand（）%2；

Switch（set）

{

case0：

创建对公顾客线程;

dwCustoms++;

default:

创建对私顾客线程；

dwCustoms++；

}

v（&mutex）;

等待叫号；

接受服务；

v（&hSemaphorePubCus）;//当取到对私服务号时为v（&hSemaphorePriCus）;

}

processB//窗口线程，分对公窗口与对私窗口，执行过程相似，在此只写出其中一个窗口线程

{

P（&hSemaphorePubCus）;//当取到对私服务号是为p（&hSemaphorePriCus）;

若有顾客等待，则通过叫号为下一位顾客服务；

dwCustoms--；

v（&hSemaphoreSeats）;

为顾客提供服务

顾客离开；

}

七．算法流程图

八．主要数据结构及实现

通过创建十二个线程来实现银行排队系统，3个对公窗口，7个对私窗口，1个对公等待顾客，1个对私等待顾客，十个窗口建立之后，来顾客就执行，没顾客就挂起，进入等待状态，通过设计一个随机数来实现对公对私窗口的区分，服务时间可以通过设计一个随机时间来实现，四个信号量，其中一个互斥信号量是取号机的，因为取号机只能一个人用，其余三个分别是等待室的信号量，对公和对私服务信号量，进来一个人时，先检查座位是否满了，没满，则取号，进入等待室，然后等待窗口叫号，当服务完时，离开并释放一个座位。

顾客线程创建过程：

（顾客线程分对公顾客线程与对私顾客线程，创建过程基本类似，下面列举对公顾客线程创建过程）

DWORDWINAPIfnPriTreadFunction（LPVOIDlpParameter）

{

/*进入等待室PV操作*/

WaitForSingleObject（hSemaphoreSeats,INFINITE）;

//检查等待室有没有空位，有则继续

WaitForSingleObject（hMutex,INFINITE）;

//进入等待室，同时不允许其他顾客进入

PrivateCustomers++;

cout<<"\n第"<

\n";

ReleaseMutex（hMutex）;

ReleaseSemaphore（hSemaphorePrivateCustomers,1,NULL）;

//释放一个信号量使顾客可以接受服务

return0;

}

窗口线程创建过程：

（窗口线程分3个对公窗口与7个对私窗口，创建过程基本类似，下面列举对公窗口1线程创建过程）

DWORDWINAPIPublicSevice2（LPVOIDlpParameter）

{

while

（1）

{

if（PublicCustomers<=2）

{

cout<<"对公窗口2空闲!

\n";

}

/*开始对公服务PV操作*/

WaitForSingleObject（hSemaphorePublicCustomers,INFINITE）;

//检查有没有顾客等待服务，有则继续

WaitForSingleObject（hMutex,INFINITE）;

//进入等待室时不允许其他顾客进入

WaitForSingleObject（PublicSevice2,INFINITE）;

//开始服务

ReleaseMutex（hMutex）;

//释放互斥量，室其他人可以进入

ReleaseSemaphore（hSemaphoreSeats,1,NULL）;

//释放信号量使其它顾客可以进入等待室

cout<<"第"<

\n";

//窗口正在服务，服务延时

cout<<"第"<

\n";

WaitCustoms--;

//记录顾客离开的序号

ReleaseMutex（hSemaphoreSeats）;

//释放信号量使其它顾客可以到达窗口接受服务

CloseHandle（PublicSevice2）;

}

}

九．实验测试结果及结果分析

结果分析

顾客进入银行之后，首先判断是否有空座位，若有，则在取号机上取号，等待窗口服务。

对于窗口而言，只要其空闲，则按照顾客取号的顺序为顾客提供服务。

所有线程执行结束之后程序结束。

十．课程设计总结

通过此次课程设计，对银行排队系统有了较为透彻的了解，同时也了解到了c++中许多api功能函数的运用，觉得c++真的是包含了好多好多功能，以前就以为只需要学会书上的东西就行，现在发现其实不然，好多东西都是我们从实践中学习到的，好多库函数自己根本就不知道，感觉这次真的学到了好多，不仅仅是把银行排队系统理解了，更重要的是巩固了以前的知识，学到了新的东西。

回顾此次课程设计，自从拿到题目到完成整个编程，从理论到实践，我们学到很多的知识，不仅巩固了以前所学的知识，而且学到很多课外的知识，通过本次设计，让我们懂得了理论与实际相结合的重要性，只有把所学的理论知识与实践相结合，才能真正提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

总之，此次课程设计给我们提供了一个既动手又动脑、自学、独立实践的机会，是我们养成自学的好习惯，锻炼了实际分析问题和解决问题的能力，提高了适应实际编写的能力，为今后的学习和实践打下良好的基础。

十一.源程序清单

主要代码

#include

#include

#include

#include

#include

#include

usingnamespacestd;

DWORDseat,PublicCustomers=0,PrivateCustomers=0,WaitCustoms=0;

//分别设定座位的初始值，对公对私顾客窗口的初始值，等待顾客的初始值

HANDLEhMutex,hSemaphorePublicCustomers,hSemaphorePrivateCustomers,hSemaphoreSeats;

//分别设定取号机的互斥量，等待对公服务顾客的数量，等待对私服务顾客的数量和等待室剩余座位数的信号量

DWORDWINAPIfnPubTreadFunction（LPVOIDlpParameter）

{

/*进入等待室PV操作*/

WaitForSingleObject（hSemaphoreSeats,INFINITE）;

//检查等待室有没有空位，有则继续

WaitForSingleObject（hMutex,INFINITE）;

//进入等待室，同时不允许其他顾客进入

PublicCustomers++;

cout<<"\n第"<

\n";

ReleaseMutex（hMutex）;

//创建对公服务窗口线程

ReleaseSemaphore（hSemaphorePublicCustomers,1,NULL）;

return0;

}

DWORDWINAPIfnPriTreadFunction（LPVOIDlpParameter）

{

/*进入等待室PV操作*/

WaitForSingleObject（hSemaphoreSeats,INFINITE）;

//检查等待室有没有空位，有则继续

WaitForSingleObject（hMutex,INFINITE）;

//进入等待室，同时不允许其他顾客进入

PrivateCustomers++;

cout<<"\n第"<

\n";

ReleaseMutex（hMutex）;

ReleaseSemaphore（hSemaphorePrivateCustomers,1,NULL）;

//释放一个信号量使顾客可以接受服务

return0;

}

DWORDWINAPIPublicSevice1（LPVOIDlpParameter）

{

while

（1）

{

if（PublicCustomers<=1）

{

cout<<"对公窗口1空闲!

\n";

}

/*开始对公服务PV操作*/

WaitForSingleObject（hSemaphorePublicCustomers,INFINITE）;

//检查有没有顾客等待服务，有则继续

WaitForSingleObject（hMutex,INFINITE）;

//进入等待室时不允许其他顾客进入

WaitForSingleObject（PublicSevice1,INFINITE）;

//开始服务

ReleaseMutex（hMutex）;

//释放互斥量，室其他人可以进入

ReleaseSemaphore（hSemaphoreSeats,1,NULL）;

//释放信号量使其它顾客可以进入等待室

cout<<"第"<

\n";

//窗口正在服务，服务延时

cout<<"第"<

\n";

WaitCustoms--;

//记录顾客离开的序号

ReleaseMutex（hSemaphoreSeats）;

//释放信号量使其它顾客可以到达窗口接受服务

CloseHandle（PublicSevice1）;

}

}

DWORDWINAPIPublicSevice2（LPVOIDlpParameter）

{

while

（1）

{

if（PublicCustomers<=2）

{

cout<<"对公窗口2空闲!

\n";

}

/*开始对公服务PV操作*/

WaitForSingleObject（hSemaphorePublicCustomers,INFINITE）;

//检查有没有顾客等待服务，有则继续

WaitForSingleObject（hMutex,INFINITE）;

//进入等待室时不允许其他顾客进入

WaitForSingleObject（PublicSevice2,INFINITE）;

//开始服务

ReleaseMutex（hMutex）;

//释放互斥量，室其他人可以进入

ReleaseSemaphore（hSemaphoreSeats,1,NULL）;

//释放信号量使其它顾客可以进入等待室

cout<<"第"<

\n";

//窗口正在服务，服务延时

cout<<"第"<

\n";

WaitCustoms--;

//记录顾客离开的序号

ReleaseMutex（hSemaphoreSeats）;

//释放信号量使其它顾客可以到达窗口接受服务

CloseHandle（PublicSevice2）;

}

}

DWORDWINAPIPublicSevice3（LPVOIDlpParameter）

{

while

（1）

{

if（PublicCustomers<=3）

{

cout<<"对公窗口3空闲!

\n";

}

/*开始对公服务PV操作*/

WaitForSingleObject（hSemaphorePublicCustomers,INFINITE）;

//检查有没有顾客等待服务，有则继续

WaitForSingleObject（hMutex,INFINITE）;

//进入等待室时不允许其他顾客进入

WaitForSingleObject（PublicSevice3,INFINITE）;

//开始服务

ReleaseMutex（hMutex）;

//释放互斥量，室其他人可以进入

ReleaseSemaphore（hSemaphoreSeats,1,NULL）;

//释放信号量使其它顾客可以进入等待室

cout<<"第"<

\n";

//窗口正在服务，服务延时

cout<<"第"<

\n";

WaitCustoms--;

//记录顾客离开的序号

ReleaseMutex（hSemaphoreSeats）;

//释放信号量使其它顾客可以到达窗口接受服务

CloseHandle（PublicSevice3）;

}

}

DWORDWINAPIPrivateSevice1（LPVOIDlpParameter）

{

while

（1）

{

if（PrivateCustomers<=1）

{

cout<<"对私窗口1空闲!

\n";

}

/*开始对私服务PV操作*/

WaitForSingleObject（hSemaphorePrivateCustomers,INFINITE）;

//检查有没有顾客等待服务，有则继续

WaitForSingleObject（hMutex,INFINITE）;

//进入等待室时不允许其他顾客进入

WaitForSingleObject（PrivateSevice1,INFINITE）;

//开始服务

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