线程同步和互斥

课程设计题目：线程同步和互斥操作的实现课题背景：线程(Thread)是一份独立运行的程序，有自己专用的运行栈。线程有可能和其他线程 共享一些资源，比如，内存，文件，数据库等。 当多个线程同时读写同一份共享资源的时 候，可能会引起冲突。如车站售票系统，多个售票员同时对车票数据库进行操作，卖出一张 票车票数将减一，如果同时两个或多个售票员同时进行售票，系统将数据进行减一操作，这 是就出现了错误。这时候，我们需要引入线程同步和互斥机制，即各位线程之间要有个先来 后到，不能一窝蜂挤上去抢作一团。设计目的：设计程序解决进程的同步互斥，分析程序思路，加深对同步互斥的了解。设计方法与内容：使用信号两与pv操作源于来实现线程的同步与互斥，设计程序对商品的生产与销售流程 进行模拟。1 / 11线程同步和互斥操作的实现摘要 用 PV 操作及信号量解决线程同步互斥问题关键词 线程 同步 互斥 信号量 PV 操作 商品生产销售引言线程间的同步（实指线程间的通信）：一般来说，一个线程相对于另一个线程的运行速 度是不确定的，也就是说线程是在异步环境下运行的，每个线程都会以不可预知的速度向前 推进。但是相互合作的线程需要在某些确定点上协调工作，当一个线程到达了这些点后，除 非另一进程已经完成了某些操作，否则就不得不停下来等待别的线程来完成这些操作，这就 是线程间的同步。线程间的互斥（实指对同享资源约束访问）：在多线程环境中，各线程可以共享各类资 源，但有些资源一次只能允许一个线程使用，这种资源称“临界资源”，如公共变量、打印 机等。临界区：对临界资源实施操作的一段程序。线程间的同步与互斥是通过操作系统的信号量与PV操作原语来实现的。信号量与 PV 操作分析信号量是最早出现的用来解决进程同步与互斥问题的机制（也可实现进程通信），包括一 个称为信号量的变量及对它进行的两个原语操作P、V。p操作和v操作是不可中断的程序段, 称为原语。PV操作由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量进行操作,具体定义如下：P （m）：将信号量m的值减1,即m=m-1；如果m>=0,则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。V （m）：将信号量m的值加1,即m=m+1；如果m>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。PV操作的意义：我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。PV操作属于进程 的低级通信。信号量的数据结构为一个值和一个指针,指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量2 / 11的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于 0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意，信号量的值仅能由PV操作来 改变。一般来说，信号量m>=0时，m表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配 一个单位资源，因此m的值减1；当 m<0 时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能 运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此m的值加1；若m<=0,表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运 行下去。信号量和PV操作模型进程 P1进程 P2进程 PnP（S）；P（S）；P（S）；临界区；临界区； 临界区V（S）；V（S）；V（S）；其中信号量S用于互斥，初值为1。Synchronized 用法1、 pv 操作是不可中断的，在 java 语言中设计一个函数不可中断可使用 Synchronized 关键字，它的作用如下：1）是某个对象实例内，synchronized aMethod（）可以防止多个线程同时访问这个对象的 synchronized 方法（如果一个对象有多个 synchronized 方法，只要一个线程访问了其中的一 个 synchronized 方法，其它线程不能同时访问这个对象中任何一个 synchronized 方法）。这 时，不同的对象实例的synchronized方法是不相干扰的。也就是说，其它线程照样可以同时 访问相同类的另一个对象实例中的synchronized方法；2）是某个类的范围，synchronized static aStaticMethod防止多个线程同时访问这个类中 的 synchronized static 方法。它可以对类的所有对象实例起作用。2、 除了方法前用 synchronized 关键字， synchronized 关键字还可以用于方法中的某个3 / 11区块中，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。用法是：synchronized（this）/呕块*/，它 的作用域是当前对象；3、synchronized关键字是不能继承的，也就是说，基类的方法synchronized f（）在继承 类中并不自动是synchronized f（），而是变成了 f（）。继承类需要你显式的指定它的某个方 法为 synchronized 方法；注意问题使用 PV 操作实现进程互斥时应该注意的是：（1）每个程序中用户实现互斥的P、V操作必须成对出现，先做P操作，进临界区， 后做 V 操作，出临界区。若有多个分支，要认真检查其成对性。（2）P、 V 操作应分别紧靠临界区的头尾部，临界区的代码应尽可能短，不能有死循环。（3）互斥信号量的初值一般为 1。使用PV操作实现进程同步时应该注意的是：（1）分析进程间的制约关系，确定信号量种类。在保持进程间有正确的同步关系情况 下，哪个进程先执行，哪些进程后执行，彼此间通过什么资源（信号量）进行协调，从而明 确要设置哪些信号量。（2）信号量的初值与相应资源的数量有关，也与 P、 V 操作在程序代码中出现的位置 有关。（3）同一信号量的P、V操作要成对出现，但它们分别在不同的进程代码中。本程序模拟商品的生产与销售，生产者 producer 生产商品后添加到库存 stock ，销售 员 seller 从库存中取商品进行销售。生产者：p(Empty); p(Mutex); stocks+;临界区v(Mutex);v(Full); sleep(n);销售者：p(Full); p(Mutex); stocks-;临界区 v(Mutex); v(Empty);sleep(n);详细代码实现：销售线程class SellerThread extends Thread private String sellerName;public SellerThread(String sName) super(); sellerName = sName;public void run() while (!interrupted() try PS.Full.p();PS.Mutex.p();PS.stocks-;PS.stockJLabel.setText(String.valueOf(PS.stocks);PS.showjProgressBar1.setValue(int) (100 * (double) (PS.stocks) / PS.stockNum);PS.outjTextArea1.setText (PS.outjTextArea1.getText() + "rn" + "ThreadName: "+ sellerName + "tGlobal value:" + PS.stocks);PS.Mutex.v();PS.Empty.v();sleep(long) (10000) * Math.random(); catch (InterruptedException ex) break;生产线程class ProducerThread extends Thread private String producerName;public ProducerThread(String sName) super();producerName = sName;public void run() while (!interrupted() try PS.Empty.p();PS.Mutex.p();PS.stocks+;PS.stockJLabel.setText(String.valueOf(PS.stocks);PS.showjProgressBar1.setValue(int) (100 * (double) (PS.stocks) / PS.stockNum);PS.outjTextArea1.setText(PS.outjTextArea1.getPxt() + "rn" + "ThreadName: "+ producerName + "tGlobal value:" + PS.stocks);PS.Mutex.v();PS.Full.v();sleep(long) (10000) * Math.random(); catch (InterruptedException ex) break;/ while信号量类class semaphore private int mutex;semaphore(int m) mutex = m;/信号量构造函数设置信号量的初始数据public final synchronized void p() throws InterruptedException mutex-;if (mutex < 0) wait();public final synchronized void v() 主线程class mainThread extends Thread public mainThread() super();public void run() for (int i = 0; i < PS.producerNum; i+) new ProducerThread("Producer_" + (i+1).start(); sleep(long) (1000) * Math.random();for (int i = 0; i < PS.sellerNum; i+) new SellerThread("Sellser_" + (i+1).start(); sleep(long) (1000) * Math.random();界面public class PS extends javax.swin g.JF rame 界面成员对象声明略static int sellerNum = 5;常量设置销售进程数目static int producerNum = 5;常量设置生产进程数目static int stockNum = 10;static int stocks = 0;static semaphore Full = new semaphored);static semaphore Empty = new semaphore(stockNum);static