自Windows的多线程同步实验报告.docx
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自Windows的多线程同步实验报告
一、实验目的
在掌握基于消息的ｗｉndowｓ程序结构和多线程程序设计方法的基础上，设计一个多线程同步的程序。
使学生能够从程序设计的角度了解多线程程序设计的方法和在wiｎｄows系统下多线程同步互斥的机制。
二、实验内容
1.理解Wiｎｄowｓ程序设计的基本思想,理解基于消息的程序设计方法,能够设计出简单的基于事件的ｗｉnｄows程序，完成基本控件的使用
２.结合操作系统中信号量与互斥体的概念,在MFC中找到对应的相关类
3.设计一个多线程同步的程序,
多线程概述
进程和线程都是操作系统的概念。
进程是应用程序的执行实例，每个进程是由私有的虚拟地址空间、代码、数据和其它各种系统资源组成，进程在运行过程中创建的资源随着进程的终止而被销毁，所使用的系统资源在进程终止时被释放或关闭。
线程是进程内部的一个执行单元。
系统创建好进程后,实际上就启动执行了该进程的主执行线程,主执行线程以函数地址形式,比如说maiｎ或WｉnMain函数,将程序的启动点提供给Winｄows系统。
主执行线程终止了,进程也就随之终止。
每一个进程至少有一个主执行线程，它无需由用户去主动创建,是由系统自动创建的。
用户根据需要在应用程序中创建其它线程,多个线程并发地运行于同一个进程中。
一个进程中的所有线程都在该进程的虚拟地址空间中，共同使用这些虚拟地址空间、全局变量和系统资源,所以线程间的通讯非常方便,多线程技术的应用也较为广泛。
多线程可以实现并行处理,避免了某项任务长时间占用CPU时间。
要说明的一点是，目前大多数的计算机都是单处理器（ＣPU）的，为了运行所有这些线程，操作系统为每个独立线程安排一些ＣPU时间,操作系统以轮换方式向线程提供时间片，这就给人一种假象，好象这些线程都在同时运行。
由此可见，如果两个非常活跃的线程为了抢夺对CPＵ的控制权，在线程切换时会消耗很多的CPU资源,反而会降低系统的性能。
这一点在多线程编程时应该注意。
Wiｎ32SDK函数支持进行多线程的程序设计，并提供了操作系统原理中的各种同步、互斥和临界区等操作。
VｉsuaｌC＋+ 6．０中，使用MＦC类库也实现了多线程的程序设计，使得多线程编程更加方便。
VC中提供线程同步的方法：
临界区（CCrｉｔiｃaｌＳectioｎ）
事件（CEvｅnt）
互斥量（CＭuｔex）
信号量（CSｅmaphore）
A、使用CCrｉｔicalＳｅｃｔｉoｎ类
当多个线程访问一个独占性共享资源时,可以使用“临界区”对象。
任一时刻只有一个线程可以拥有临界区对象，拥有临界区的线程可以访问被保护起来的资源或代码段，其他希望进入临界区的线程将被挂起等待，直到拥有临界区的线程放弃临界区时为止，这样就保证了不会在同一时刻出现多个线程访问共享资源。
CCrｉticａlSecｔion类的用法非常简单，步骤如下:
定义CCritiｃalSｅｃtiｏn类的一个全局对象（以使各个线程均能访问）,如ＣＣｒｉtｉcalSｅcｔioncｒiticａl_seｃｔiｏn；
在访问需要保护的资源或代码之前,调用CCｒitｉcalSectiｏn类的成员Lock（）获得临界区对象：
criticaｌ_seｃtｉon.Loｃk（）;
在线程中调用该函数来使线程获得它所请求的临界区。
如果此时没有其它线程占有临界区对象,则调用Lｏcｋ（）的线程获得临界区;否则，线程将被挂起,并放入到一个系统队列中等待，直到当前拥有临界区的线程释放了临界区时为止。
访问临界区完毕后，使用CCriticａｌＳｅction的成员函数Unlｏck（）来释放临界区:
criticａl＿sｅction.Unlock（）;
再通俗一点讲,就是线程Ａ执行到criticａｌ＿seｃtion.Loｃk（）;语句时,如果其它线程（B）正在执行crｉtical＿secｔion．Lｏcｋ（）;语句后且criticａｌ_seｃtioｎ.Unｌock（）;语句前的语句时,线程A就会等待，直到线程B执行完critｉcａl＿sｅｃtion.Ｕnlock（）;语句，线程A才会继续执行。
Ｂ、使用CEvent类
CEvent类提供了对事件的支持。
事件是一个允许一个线程在某种情况发生时,唤醒另外一个线程的同步对象。
例如在某些网络应用程序中，一个线程（记为A）负责监听通讯端口,另外一个线程（记为Ｂ）负责更新用户数据。
通过使用CEvent类,线程Ａ可以通知线程Ｂ何时更新用户数据。
每一个ＣＥｖenｔ对象可以有两种状态:
有信号状态和无信号状态。
线程监视位于其中的ＣEveｎｔ类对象的状态,并在相应的时候采取相应的操作。
在MFC中,CEvent类对象有两种类型：
人工事件和自动事件。
一个自动CEvｅnt对象在被至少一个线程释放后会自动返回到无信号状态；而人工事件对象获得信号后，释放可利用线程,但直到调用成员函数ReSetEvenｔ（）才将其设置为无信号状态。
在创建CEvｅnｔ类的对象时,默认创建的是自动事件。
CEｖenｔ 类的各成员函数的原型和参数说明如下：
１、CEｖeｎt（BOOLbＩniｔialｌyOwn=ＦALSE,
BOOLbManuａlＲeseｔ=ＦALＳE,
LPＣTＳTRlpsｚName=NULL,
LPSECURITY_ＡTTＲIＢUTＥSlpsaＡｔtｒｉbutｅ=NULL）;
ｂInitiallyOwn:
指定事件对象初始化状态,TＲUE为有信号，FＡLSE为无信号；
bMａnuａlResｅt:
指定要创建的事件是属于人工事件还是自动事件。
ＴＲUE为人工事件，FＡLSE为自动事件;
后两个参数一般设为ＮULL,在此不作过多说明。
2、BOOLCEveｎt：
:
SetＥvent（）；
将CEvent类对象的状态设置为有信号状态。
如果事件是人工事件,则CEvenｔ 类对象保持为有信号状态，直到调用成员函数ResetEvｅｎt（）将 其重新设为无信号状态时为止。
如果CEvenｔ类对象为自动事件，则在SｅtEvenｔ（）将事件设置为有信号状态后,CＥvenｔ类对象由系统自动重置为无信号状态。
如果该函数执行成功,则返回非零值,否则返回零。
３、ＢOOLCＥｖent:
：
ResetEvｅnt（）;
该函数将事件的状态设置为无信号状态,并保持该状态直至SeｔEvｅnt（）被调用时为止。
由于自动事件是由系统自动重置，故自动事件不需要调用该函数。
如果该函数执行成功,返回非零值,否则返回零。
我们一般通过调用WaitForSingｌeObjecｔ函数来监视事件状态。
前面我们已经介绍了该函数。
由于语言描述的原因，ＣＥｖeｎt类的理解确实有些难度，但您只要通过仔细玩味下面例程，多看几遍就可理解。
C、使用ＣMｕｔex类
互斥对象与临界区对象很像．互斥对象与临界区对象的不同在于:
互斥对象可以在进程间使用,而临界区对象只能在同一进程的各线程间使用。
当然,互斥对象也可以用于同一进程的各个线程间，但是在这种情况下，使用临界区会更节省系统资源，更有效率。
D、使用CＳemaphoｒe 类
当需要一个计数器来限制可以使用某个线程的数目时,可以使用“信号量”对象。
CＳemapｈore类的对象保存了对当前访问某一指定资源的线程的计数值，该计数值是当前还可以使用该资源的线程的数目。
如果这个计数达到了零，则所有对这个CSemａphoｒe类对象所控制的资源的访问尝试都被放入到一个队列中等待，直到超时或计数值不为零时为止。
一个线程被释放已访问了被保护的资源时,计数值减1;一个线程完成了对被控共享资源的访问时,计数值增１。
这个被ＣSｅmapｈｏre类对象所控制的资源可以同时接受访问的最大线程数在该对象的构建函数中指定。
CSemaphｏｒｅ类的构造函数原型及参数说明如下：
ＣSemaphｏre（LOＮＧ lＩniｔialＣouｎt=1,
ＬONGlMaｘＣount=1，
LPＣTSＴＲｐstrＮame=NULL，
ＬPＳＥＣURITY_ATTRIBUＴESlｐsａAtｔributes=ＮUＬＬ）;
ｌＩnitiａｌCｏunt：
信号量对象的初始计数值,即可访问线程数目的初始值;
lMaxCount:
信号量对象计数值的最大值,该参数决定了同一时刻可访问由信号量保护的资源的线程最大数目;
后两个参数在同一进程中使用一般为NULＬ，不作过多讨论；
在用CＳemaphore类的构造函数创建信号量对象时要同时指出允许的最大资源计数和当前可用资源计数。
一般是将当前可用资源计数设置为最大资源计数，每增加一个线程对共享资源的访问，当前可用资源计数就会减1,只要当前可用资源计数是大于0的，就可以发出信号量信号。
但是当前可用计数减小到0时，则说明当前占用资源的线程数已经达到了所允许的最大数目，不能再允许其它线程的进入,此时的信号量信号将无法发出。
线程在处理完共享资源后，应在离开的同时通过ReｌeaseSemaｐhore（）函数将当前可用资源数加1。
三、实验方案
本系统通过ＶＣ提供的四种线程同步方案同时实现线程的同步。
其架构图如图１－1所示。
图1-1系统结构示意图
通过VC提供的线程创建函数:
CWinThreａd*AfxBegｉｎＴhread（AFＸ_TＨＲＥＡＤPROC pfnＴhreadＰroｃ，LＰVOＩDpParaｍ,int ｎPrioｒｉｔy=ＴHREAＤ_PRIOＲIＴY＿ＮORMAL,UINTnStackSｉｚe =0,DWＯＲDdｗCreatｅＦlags＝０,ＬPSECＵRIＴY_ＡＴTRIBＵTＥS lｐSeｃurityＡttrｓ= NＵＬＬ ）;
CＷiｎＴhｒeａd*AｆxBｅginThｒｅad（CRuｎtimeClass*ｐThreadCｌａｓs, ｉnt ｎPrioｒitｙ= ＴHREＡD_PRＩORITY_NORＭAL，UＩNTnＳｔacｋＳｉze＝0, ＤWORＤｄｗCｒeateＦlａgs =0,LPSECURIＴY_ATTRIBUTESｌpSecuriｔyAttｒs =NULL）;
创建多线程，分别通过临界区（CＣriticalSecｔiｏn）、事件（CEvent）、互斥量（CMｕtex）、信号量（ＣSemapｈore）实现同步。
四、实验（设计）仪器设备和材料清单
PC每人一台，ｗindｏｗs2０00操作系统，Vc++６.0，msdn
五、调试及结果测试
在本实验中由于实验简单很容易就调试通过。
1．本系统采用ＭFC编程。
其运行界面如图1－2所示。
分别人事件、互斥量、临界资源、信号量实现线程同步。
图１－２系统运行界面
２.单击SＹNCＨ（同步按钮）会出现先写完A后再写Ｂ。
如果单击ＡSYNＣＨ按钮（异步按钮）则会出现AB交错出现这种现象这正在非同步所出现的现象。
如图1-3所示。
图1-3系统运行图
3．在事件同步栏中有两个文本框，分别是源文件路径与目的文件路径。
这是通过在内存中申请一个内存区通过复制一个文件来体现线程的同步。
如图１-4所示是选择源文件。
图1-4选择源文件
4.选择源文件与目的位置后单击ＣOＰY按钮。
如图1-5所示已复制完成。
图１-５复制文件
六、实验数据、结果分析
单击同步与非同步按钮,分别出现两种情况,ＡB分别出现，ＡＢ交替出现。
达到预期的同步效果。
文件复制体现了同步的特征。
七、思考题
１.多线程是同一进程中的,考虑多进程同步问题?
答：
进程同步包括进程的互斥和进程的同步两个方面，是操作系统管理共享资源的一种手段。
从考试情况来看，许多考生对这部分知识掌握的不好,理解的不透。
用PV 操作解决进程同步问题时首先应确定问题是属于进程互斥还是进程同步，或是互斥与同步的混合问题。
然后根据共享资源的数量以及使用共享资源的规则正确的定义信号量及其初值。
然后决定在不同信号量上应实施的P操作和V操作,用这些Ｐ操作和V操作保证并发进程正确地使用共享资源。
下面我们就一些考题做一些分析，让考生在分析中理解进程同步,掌握进程同步。
用PV操作实现进程的互斥
用PV操作实现进程的互斥,只要用一个信号量与一组相关临界区联系起来,信号量的初值定义为“1”。
每个进程要进入临界区之前调用P操作,测试自己是否可以立即进入临界区；执行完临界区的程序段后，调用Ｖ操作表示自己退出临界区。
用PV操作实现进程的同步
用PV操作实现进程的同步时应定义一组信号量,其中每个信号量与一个消息对应，根据各个消息量的物理含意确定初值。
进程通过调用P操作来测定自己需要的消息是否到达,通过调用V操作把其它进程需要的消息发送出去。
2.多线程设计的好处和缺点
答：
优点:
相对于单线程而言：
可以响应多任务的并发操作。
多线程取消了主循环和轮流检测机制，一个线程可以暂停而不阻止系统其他的部分的执行,而且当程序中一个线程阻塞时,只有那个被阻塞的线程暂停，所有其他的线程继续执行。
相对于进程而言：
它所要求的开销比较小,转换成本较小。
所有线程共享同一地址空间，相互协作。
彼此之间通信很容易。
缺点：
等待共享资源的时候,运行速度会慢下来。
线程管理需要额外的CPU开销。
如果设计得不不合理,程序会变得异常负责。
会引发一些不正常的状态,像饥饿（starving），竞争（ｒacｉng）,死锁（ｄeａdloｃk），活锁（livelock）。
不同平台上会有一些不一致。
比如我在开发本书例程时发现,在有些平台下竞争很快就出现，但是换了台机器,它根本就不出现。
如果你在后者搞开发，然后发布到前者,那可就惨了
八、源代码
/／ ThｒeaｄSynｃhDlｇ.ｈ:
headerｆile
／/
＃if!
ｄｅfined（AＦＸ_THREADSYＮＣHDLＧ_H__D７C46ＡAA_1B8４_４F00_A24Ａ_Ｄ8BＤ76ECD0AA__INCLUDＥＤ＿）
#definｅAFX_TＨＲEＡＤSYＮCHDLG_H__Ｄ７C4６AAA＿1Ｂ8４_4F00_A２4A_D８BD7６ECD0AＡ__INCLUDEＤ＿
#if_ＭSC_ＶER>1000
#pragmaoncｅ
#ｅndif//＿MSC_VER＞ 1000
//／／／/／//／///////／／///／／//////／/／///////／/////／／/////////////／////////／//////
/／ CThｒｅadSyncｈＤlgｄiａloｇ
clasｓCThreaｄSｙnchＤlg :
ｐｕbｌic CDiaｌoｇ
{
／/Cｏnsｔｒｕctioｎ
ｐuｂｌiｃ:
intIｎitＣopｙＲｉght（）;
ﻩＣThreadSynchDlg（CWnd* pＰａrent= NULＬ）;// standardconｓtｒuctor
BＯOLｂmuｔeｘ;
ﻩＢＯOLbcritical;
ﻩ
ﻩＣStringsourceｎame;
ﻩCSｔｒingｄesnａｍe;
ＣＳtring ;
ﻩHＧＬOＢALhGlｏbal;
ﻩlonｇ readlen,posｌen,;
LPVOIDpvDaｔa;
ﻩ// ＤialogData
//{{AFX_DＡTA（CTｈｒeaｄＳynchDlg）
ﻩenum { IDD = IＤＤ_ＴHREＡDＳＹNＣH_DIALOG}；
CＰrogreｓｓCtrlﻩm＿ｐoｓ;
CＥditﻩm_sｏurcｅ;
ﻩCＥditｍ_ｄes;
ＣEditﻩm_rｅsulｔｃs;
ﻩCEditﻩm_ｒｅsuｌtｍu;
ﻩCEｄiｔm_resultsｐ；
ＣＥditm_ｒesuｌtｅｖ;
ﻩ／／}}ＡFX_DATA
/／ClａssWｉｚardgｅｎeraｔedvirｔualfuｎｃtionoｖerriｄes
ﻩ//｛{AＦＸ＿ＶＩRTＵAL（CTｈreａｄSynchDｌｇ）
protｅｃted：
ﻩvirtｕaｌ voidＤoDataEｘchangｅ（CDataＥｘcｈanｇｅ*pＤＸ）；ﻩ//DＤX/DDVｓupｐorｔ
ﻩ//｝}AFX_ＶIRTＵAL
//Ｉmplementation
prｏtｅctｅd:
HＩCONｍ_hIｃon;
ﻩ
//Gｅneratedmeｓsaｇｅｍap funｃtiｏns
ﻩ//｛{AFX＿MSG（CThreadSyｎchDlg）
ﻩvｉrtuａlBOＯLOnＩｎiｔＤialｏg（）;
afx_ｍｓｇｖoiｄ ＯnＳyｓＣommand（ＵINTnＩD, LＰＡＲAMlPａram）；
ａfx＿ｍsgｖoidOnＰaiｎt（）；
ﻩａfx＿msgHCURＳOＲＯnＱuerｙDragIｃon（）;
ﻩａfx＿msgvoｉd OnBtsynchevent（）;
ﻩafｘ_ｍsgvoidOｎＢtasynchevent（）;
afx_msｇvoｉdＯnBtsｙnchｍutｅｘ（）;
ﻩaｆx_msgvｏｉd OnBtasｙnchmuｔex（）；
ﻩａfｘ＿msgｖoid OnBtsynｃhcｓection（）;
afx_mｓg voidOnBtasynchcｓectiｏn（）;
ａfx_msg voｉｄOnＢtbrowsｓ（）;
afx_ｍsgvoｉdOnＢtbroｗsd（）；
ﻩafx_mｓg voidOnＢｔsyｎcｈsp（）;
afx_msgvoidOnＢtasynｃhsp（）;
ａｆx_ｍsgvoｉd OｎＢｔcopy（）;
ﻩaｆx_msgvｏidOnＢtclｅａr（）;
ａfx_ｍｓgvoidOnBtexit（）;
ﻩ／／}}AFX_ＭSG
ﻩDECLARE＿MＥSSAGE_MAP（）
};
//｛｛AFX_ＩNSERT_ＬOCATIＯN}}
//ＭiｃｒosｏftVisualＣ＋+ｗillｉnsｅrtadditionaldecｌａratｉｏnｓimmediaｔeｌybｅforetheｐrevioｕsline．
＃ｅndif/／ !
definｅd（AFX＿THREＡDSYNＣHDLG_H__Ｄ７C46AAA_１B84_4F00_A2４A_D8BD76ＥCＤ0AA_＿IＮCＬＵＤＥD_）
/／ＴhｒeadSｙnchＤlg.cpp：
impｌemｅntaｔioｎfile
//
#include"ｓtdａfx.h＂
#incluｄe "ThｒeadSynch.ｈ＂
#iｎcｌude"TｈreadSｙnchDlg．ｈ＂
#ifｄef_DEBUG
#ｄefinenｅwＤEBUG_NEＷ
#ｕnｄef ＴHＩS_FILＥ
statiｃ chaｒ THＩS_FIＬE[]=＿_FILE__;
#ｅnｄif
#inｃluｄｅ
HANDLEhSema；
//////／／///////////／／/////／/／/////／/／//／／/////／///／/////////／////／////／////／/
/／ CＡｂouｔＤlgdiａlog ｕｓedfｏｒAppAｂｏut
clasｓCAboｕtDlg :
ｐubｌiｃ ＣＤiａlog
｛
publiｃ:
CAｂｏutＤlg（）;
/／Dialog Data
ﻩ／／{{AＦＸ_DAＴA（CAboｕtDlｇ）
ﻩｅｎum { IＤD= IＤＤ_ＡBOUTＢＯＸ};
ﻩ//}｝AFX_DATＡ
// ＣlasｓWizard geneｒated ｖirｔualfuｎctｉonoｖerrides
ﻩ/／{{ＡFＸ_VIRTUAL（CAbｏutDlg）
ｐrotｅｃtｅd:
ﻩvｉrｔualvｏidＤoDａtａＥｘcｈaｎgｅ（CDatａExchaｎge＊pDX）; //ＤDＸ/DDVsuppoｒｔ
ﻩ//}}ＡFＸ_ＶIRTUＡL
//Impｌemｅntaｔioｎ
protecteｄ:
／／{{AＦX_MSＧ（CAｂouｔＤlg）
//}}AＦＸ_ＭSG
DECLARE_MESSAGE_MAＰ（）
｝；
CAbｏutDlg:
:
CAboｕtＤlg（）:
CDiａlｏｇ（CＡｂoｕtDｌg:
:
IDD）
｛
ﻩ//{{ＡFX_DATA_ＩＮIT（CAboutDlg）
ﻩ//}}ＡFX_DＡTA_IＮIT
}
voiｄCAｂouｔＤｌg：
：
DoＤataExｃhanｇe（CDatａＥxchange＊pDX）
{
CDialｏｇ：
:
ＤoDatａExｃhaｎge（ｐDX）;
ﻩ//{｛AＦX_DATＡ＿MＡP（CAboutＤlg）
ﻩ／/｝}ＡFＸ_DＡTＡ＿ＭAP
}
ＢEGＩN＿MＥSＳＡGE_MAP（CＡboｕｔＤｌg,CDiaｌoｇ）
/／{{ＡＦX_ＭSＧ_MAP（ＣＡbouｔDlg）
//Nｏmｅssagｅｈaｎdｌｅrｓ
／／}}AFX_MSＧ_MAP
ENＤ_ＭESSAGＥ_MAP（）
／/／//／//／/／／/////////／////／/／///／//／/／／///／／///／///////////／//／////////／/////
／／CTｈrｅadSynchDlg ｄｉalｏg
ＣThreａdSynｃhDｌg:
:
CThreａdSynｃhDlｇ（CWnd＊pParｅnt／*＝NＵLＬ*／）
：
CDｉalog（ＣThｒｅadＳyncｈDlg：
:
ＩDD,pPaｒｅnｔ）
｛
ﻩ/／{{AFX＿DAＴA_INIT（CTｈreadＳｙｎchＤlg）
//}}AFX_DATA_ＩNIＴ
/／ Note thatLoaｄＩｃondoesnｏtreqｕire asubsequentDestroyＩｃoniｎWｉn32
m_ｈIcon＝AfxGeｔApｐ（）－>ＬoａdIcｏn（IDR_ＭAINFRAME）;
｝
void CThｒeａdSynchＤlg：
:
DoＤataＥxchａnｇe（CDataExcｈaｎge＊ｐＤＸ）
{
CDialog：
：
DｏDaｔaＥxchange（ｐDＸ）;
ﻩ/／｛{AFX_ＤAＴA_MAP（CThreaｄSynchDlg）
ﻩDDX_Conｔrol（ｐDX,ＩDC_PRＯGＲESＳ, ｍ_pｏs）;
DDX＿Control（pＤＸ，IＤＣ＿EDＩT_ＳOURCＥ, m＿source）;
DDＸ_Ｃontrol（ｐDＸ，IDC_EDIT_DEＳＴRIＮSTIＯN,m＿des）;
ＤDX_Ｃoｎｔrol（ｐDＸ，IDC_EDIＴ_CSECTIＯN，ｍ_ｒesulｔcs）;
ﻩDDX_Ｃontrｏl（pＤX，IDＣ＿EDIＴMＵTEX, m＿resuｌtmｕ）;
DDX＿Cｏntrol（pＤＸ，IDC＿EDIT_EVＥNT，m_reｓuｌtev）；
ﻩ//}}AFX_DATA_MAＰ
}
BEGIＮ_MＥSSAGE_MＡP（CThreadＳyncｈＤｌg, CＤialｏg）
//｛{AFＸ_ＭSG_MAP（CThreａdＳｙnchDlg）
ON_WM＿SYSCOMMＡND（）
OＮ_WM＿PAＩNT（）
ＯＮ＿WM＿QＵＥRYDRAGICON（）
ＯN_BＮ＿CLI
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