实验3 同步机制
实验内容:
学习Windows有关进程/线程同步的背景知识和API，学习windows平台下常用的同步方式，并分析2个实验程序（利用信号量实现两个进程间的同步和利用互斥量实现读者写者问题），观察程序的运行情况并分析执行结果。 实验目的:
在本实验中，通过对互斥量（Mutex）和信号量（Semaphore）对象的了解，来加深对Windows 进程、线程同步的理解。
(1) 了解互斥量和信号量对象。
(2) 通过分析实验程序，理解管理信号量对象的API。 (3) 理解在进程中如何使用信号量对象。
(4) 通过分析实验程序，理解在线程中如何使用互斥量对象。
(5) 理解父进程创建子进程的程序设计方法，理解在主线程中创建子线程的方法。 实验要求：
(1) 理解Windows有关进程/线程同步的背景知识和API。
(2) 按要求运行2个程序，观察程序执行的结果，并给出要求的结果分析。 实验选做部分：
(3) 参照3-2程序，写出一个实现单个生产者—消费者问题的算法，可以使用单个缓冲区，也可以使用缓冲池，生产者随机产生任意形式的数据并放入缓冲区中，消费者则以随机的时间间隔从缓冲区中取数据，随机时间请使用随机数产生。
并发与同步的背景知识
更多的、更详细的参考资料和代码举例在文件夹“进程线程程序设计及同步机制的学习资料”中，请利用课余时间仔细阅读。
Windows开发人员可以使用同步对象来协调线程和进程的工作，以使其共享信息并执行任务。此类对象包括互斥量Mutex、信号量Semaphore、事件Event等。
多进程、多线程编程中关键的一步是保护所有的共享资源，工具主要有互斥量Mutex和信号量Semaphore等；另一个是协调线程使其完成应用程序的任务，为此，可利用内核中的信号量对象或事件对象。
互斥量是一个可命名且安全的内核对象，主要目的是引导对共享资源的访问。拥有单一访问资源的线程创建互斥体，所有希望访问该资源的线程应该在实际执行操作之前获得互斥体，而在访问结束时立即释放互斥体，以允许下一个等待线程获得互斥体，然后接着进行下去。
利用CreateMutex() API可创建互斥量，创建时可以指定一个初始的拥有权标志，通过使用这个标志，只有当线程完成了资源的所有的初始化工作时，才允许创建线程释放互斥体。
为了获得互斥体，首先，想要访问调用的线程可使用OpenMutex() API来获得指向对象的句柄；然后，线程将这个句柄提供给一个等待函数。当内核将互斥体对象发送给等待线程时，就表明该线程获得了互斥体的拥有权。当线程获得拥有权时，线程控制了对共享资源的访问——必须设法尽快地放弃互斥体。放弃共享资源时需要在该对象上调用ReleaseMutex() API。然后系统负责将互斥量拥有权传递给下一个等待着的线程 (由到达时间决定顺序) 。
信号量Semaphore与互斥量Mutex的用法不同，互斥量Mutex保证任意时刻只能有一个进程或线程获得互斥体，信号量允许多个线程同时使用共享资源，这与操作系统中的Wait/Signal操作【也称PV操作】相同。它指出了同时访问共享资源的线程最大数目。它允许多个线程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目。在用CreateSemaphore（）创建信号量时即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或者0。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，不能在允许其他线程的进入，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计数加1。在任何时候当前可用资源计数决不可能大于最大资源计数。
此外，windows还提供了另外一个容易误导大家理解的同步对象，取名为Critical Section，中文取名为临界区，请大家注意与课本讲的临界资源、临界区的概念相区分。课本上临界区指“对临界资源进行访问的代码”；而这种称为“Critical Section”互斥机制，并不是这个意思，而是访问临界区之前的一种加锁机制，与互斥量Mutex的作用类似，只是“Critical Section”互斥机制只能在同一进程内部各个线程间使用，而Mutex互斥机制是可以跨进程使用的。 实验内容与步骤
1. 信号量Semaphore对象
清单3-1程序展示如何在进程间使用信号量对象。
父进程启动时，利用CreateSemaphore () API创建一个命名的、可共享的信号量对象，并利用CreateProcess()创建子进程，然后调用WaitForSingleObject（）函数去获取信号量，但是由于信号量的初始值为0，所以父进程阻塞在此，无法成功占有信号量；子进程创建后，调用OpenSemaphore（）打开父进程创建的信号量，然后调用ReleaseSemaphore（）函数释放了1个信号量，此后，处于阻塞状态的父进程获取了子进程释放的信号量，从而解除了阻塞，继续运行至程序结束。
清单3-1 创建和打开信号量对象在进程间传送信号 // Semaphore信号量项目 # include
// 定义一个信号量的名字
static LPCTSTR g_szSemaphoreName = \
// 本方法只是创建了一个进程的副本，以子进程模式 (由命令行指定) 工作 BOOL CreateChild() { // 提取当前可执行文件的文件名 TCHAR szFilename[MAX_PATH] ;
GetModuleFileName(NULL, szFilename, MAX_PATH) ; // 格式化用于子进程的命令行，指明它是一个EXE文件和子进程 TCHAR szCmdLine[MAX_PATH] ;
sprintf(szCmdLine, \
// 子进程的启动信息结构 STARTUPINFO si;
ZeroMemory(reinterpret_cast
// 返回的子进程的进程信息结构 PROCESS_INFORMATION pi;
// 使用同一可执行文件和告诉它是一个子进程的命令行创建进程
BOOL bCreateOK = CreateProcess( szFilename, // 生成的可执行文件名 szCmdLine, // 指示其行为与子进程一样的标志 NULL, // 子进程句柄的安全性 NULL, // 子线程句柄的安全性 FALSE, // 不继承句柄 CREATE_NEW_CONSOLE, // 特殊的创建标志 NULL, // 新环境 NULL, // 当前目录 &si, // 启动信息结构 &pi ) ; // 返回的进程信息结构
// 释放对子进程的引用 if (bCreateOK) {
CloseHandle(pi.hProcess); CloseHandle(pi.hThread); } return(bCreateOK) ; }
// 下面的方法创建一个信号量和一个子进程，然后等待子进程在返回前释放一个信号 void WaitForChild() { HANDLE hSemaphore = CreateSemaphore( //创建一个信号量,初始值0，最大值为1 NULL, // 缺省的安全性，子进程将具有访问权限 0, //初始值0 1, //最大值为1 g_szSemaphoreName //信号量名称 );
if (hSemaphore != NULL) { cout << \信号量对象已经建立啦。\ endl; // 创建子进程 if ( CreateChild()) { cout << \父进程建立了一个子进程\ endl; // 等待，直到子进程发出信号 cout << \因为当前信号量的值为0，所以父进程暂时阻塞在此啦.\ WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE); cout << \因为子进程释放了1个信号量，所以，父进程可以解除阻塞啦。\ }
// 清除句柄
CloseHandle(hSemaphore);
hSemaphore=INVALID_HANDLE_VALUE; } }
// 以下方法在子进程模式下被调用，其功能只是释放1个信号量 void SignalParent() {
// 尝试打开句柄
cout << \ endl; HANDLE hSemaphore = OpenSemaphore( SEMAPHORE_ALL_ACCESS, // 所要求的最小访问权限 FALSE, // 不是可继承的句柄 g_szSemaphoreName); // 信号量名称
if(hSemaphore != NULL) { cout<<\如果你同意释放一个信号量，请按任意键\ getchar(); cout << \此刻，子进程释放了1个信号量.\ ReleaseSemaphore(hSemaphore,1,NULL); }
// 清除句柄
CloseHandle(hSemaphore) ;
hSemaphore = INVALID_HANDLE_VALUE; }
int main(int argc, char* argv[] ) {
// 检查父进程或是子进程是否启动
if (argc>1 && strcmp(argv[1] , \ { // 向父进程发出信号 SignalParent() ;
cout << \子进程马上就要运行结束了。请按任意键继续。\ } else { // 创建一个信号量并等待子进程 WaitForChild();
cout << \父进程马上就要运行结束了。请按任意键继续。\ } getchar(); return 0; }
步骤1：编译并执行3-1.exe程序。
程序运行结果是 (分行书写) ：
① __________________________________________________________________ ② __________________________________________________________________ ③ __________________________________________________________________ ④ __________________________________________________________________ ⑤ __________________________________________________________________ ⑥ __________________________________________________________________
阅读和分析程序3-1，请回答：
(1) 程序中，创建一个信号量使用了哪一个系统函数？创建时设置的信号量初始值是多少，最大值是多少？
a. __________________________________________________________________ b. __________________________________________________________________ (2) 创建一个进程 (子进程) 使用了哪一个系统函数？
____________________________________________________________________
(3) 从步骤1的输出结果，对照分析3-1程序，能够看出程序运行的流程吗？请简单描述：
________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________
________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________
步骤2：编译程序生成执行文件3-1.exe，在命令行状态下执行程序，分别使用格式:
(1) 3-1 child
(2) 3-1 或3-1 ***
运行程序，记录执行的结果，并分行说明产生不同结果的原因。 2. 互斥量Mutex对象
注意：多线程编程需要在Visual C++中设定多线程C运行时库。打开你的工程项目后，在Visual C++的“Project”菜单下面，选择“Settings”菜单，如下两图所示，可以分别设定Debug版本和Release版本所使用的多线程C运行时库，以Debug开头的都是为Debug版本准备的，都选Multithread版本。
如果使用标准 C 库而调用VC运行时库函数，则在程序的link阶段会提示如下错误：
实验3 同步机制
