ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ ИМ. ПРОФ. М.А. БОНЧ-БРУЕВИЧА»
(СПбГУТ)
Кафедра программной инженерии и вычислительной техники
Отчёт
по лабораторной работе №6 на тему:
«Разработка многопоточного приложения под Linux»
по дисциплине «Операционные системы»
Выполнил: студент группы ИКВТ-61, Козырев А.Б.
« |
|
» |
|
|
2018 |
г. ___________/А.Б. Козырев/ |
|
Принял: __к.т.н. |
Дагаев А.В. |
||||||
« |
|
» |
|
|
2018 |
г. ___________/_А.В. Дагаев/ |
|
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2018
Задание: разработать многопоточное приложение с применением приоритетов и методов синхронизации потоков под Linux.
Объект синхронизации: семафор.
Пример использования:
Исходный код:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <cmath>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h> using namespace std;
typedef struct
{
uintptr_t *a; uintptr_t length; uintptr_t sum;
} MyData;
#define N 5 #define L 20
static MyData mData;
static pthread_t myThread[N]; static sem_t sem1, sem2;
static uintptr_t *a = reinterpret_cast<uintptr_t*>( malloc (N*L*sizeof(uintptr_t)) );
void *threadWork(void *arg)
{
uintptr_t offset = reinterpret_cast<uintptr_t>(arg); uintptr_t sum = 0;
uintptr_t start = offset * mData.length; uintptr_t end = start + mData.length;
//Критическая секция №3 sem_wait(&sem1);
printf("\nThread \"%llu\" at work\n", offset + 1); for (uintptr_t i = 0; i < L/N; i++)
{
for (uintptr_t j = start + N*i; j < start + N*i + N; j++)
{
printf(" [%3llu] ", mData.a[j]);
}
puts("");
}
for (uintptr_t i = start; i < end ; i++) sum += mData.a[i];
printf ("\tSum = %llu \n", sum);
mData.sum += sum; sem_post(&sem1);
//Конец критической секции №3
pthread_exit(nullptr);
}
void *createArray(void *arg)
{
uintptr_t offset = reinterpret_cast<uintptr_t>(arg); uintptr_t start = offset * mData.length;
uintptr_t end = start + mData.length;
//Критическая секция №1 sem_wait(&sem2);
for (uintptr_t i = start; i < end ; i++) a[i] = pow((i+1), 1);
int value; sem_getvalue(&sem2, &value);
while(value != 0)
{
}
sleep(1);
//Конец критической секции №1
//Критическая секция №2 sem_wait(&sem1); sem_getvalue(&sem2, &value);
if ( value == 0 )
{
for (uintptr_t j = i*N; j < i*N + N; j++)
{
printf(" [%3llu] ", mData.a[j]);
}
puts("");
}
}
sem_post(&sem1);
//Конец критической секции №2
threadWork(arg);
}
int main ()
{
mData.length = L; mData.a = a; mData.sum = 0;
void *status; sem_init(&sem1, 0, 1); sem_init(&sem2, 0, N);
for(long i=0; i < N; i++)
pthread_create(&myThread[i], nullptr, createArray, reinterpret_cast<void*>(i));
for(int i=0; i < N; i++) pthread_join(myThread[i], &status);
printf ("\n\tSum = %llu \n", mData.sum); free (a);
sem_destroy(&sem1); sem_destroy(&sem2);
return 0;
}
Рассмотрим работу данной процедуры с предпроцессорных и глобальных объявлений.
Создана глобальная структура MyData с тремя полями: *a, length, sum.
В этих атрибутах будут храниться× данные с результатами. Для указателя *a выделяется память под элементов типа int. Затем создаются объект этой структуры с идентификатором mData, а также: N переменных потока pthread_t, два семафора: sem1 и sem2.
Рассмотрим работу программы по шагам:
Функция main():
1.Инициализирует данные структуры mData;
2.Инициализирует семафор sem1 со значением 1;
3.Инициализирует семафор sem2 со значением N (кол-во потоков);
4.Создаёт N потоков через цикл for и передаёт их в функцию createArray, с аргументами в виде счётчика для идентификации этих потоков;
5.С помощью функции pthread_join() дожидается завершения каждого из потоков;
6.Выводит результат из атрибута mData.sum на стандартный поток вывода;
7.Освобождает указатель *a;
8.Уничтожает семафоры sem1, sem2.
9.Завершается с кодом «0» в случае успеха.
Функция createArray():
1.Присваивает аргумент потока в переменную offset;
2.Инициализирует начало и конец для индексирования массива;
3.Заходит в критическую секцию №1;
I.В критической секции №1 каждый поток декрементирует семафор sem2 и начинает заполнять свой сегмент массива a;
II.Получает текущее состояние семафора sem2 с помощью функции sem_getvalue() и заходит в цикл while(), где ожидает прохождения критической секции №1 последним потоком;
III.Ожидает 1 секунду для большей синхронизации по времени;
4.Заходит в критическую секцию №2;
I.В критической секции №2 каждый поток блокирует этот блок кода семафором sem1, который выступает в роли мьютекса;
II.Получает текущее значение семафора sem2;
III.Проверяет значение семафора sem2 на нуль и, если это так, то он заходит в блок условия if и вызывает функцию sem_post() для ин-
кремента семафора sem2, чтобы другие потоки не смогли зайти в этот блок;
IV. Этот единственный поток выводит заполненный массив целиком по 5 элементов на строчку, затем выводит пустую строку и освобождает семафор sem1;
V.Каждый поток так или иначе заходит в критическую секцию №2, но не каждый заходит в блок с условным оператором if, затем освобождает семафор sem1 и выходит из это критической секции;
5.Далее, каждый поток вызывает функцию threadWork(), где продолжает свою работу.
Функция threadWork():
1.Присваивает аргумент потока в переменную offset;
2.Инициализирует начало и конец для индексирования массива;
3. Заходит в критическую секцию №3 с помощью семафора sem1;
I.Выводит приветствие в поток вывода;
II.Выводит свою часть массива на экран;
III.Вычисляет сумму своих элементов массива;
IV. Выводит сумму своих элементов массива на экран;
V. Суммирует свою сумму из предыдущего пункта с общей суммой; VI. Выходит из критической секции №3;
VII. Завершает свою работу с помощью функции pthread_exit().
В результате такого алгоритма заметим следующее:
Семафор sem2 выступает в ролях: барьера в критической секции №1, условной переменной в критической секции №2.
Семафор sem1 выступает в ролях: мьютекса в критических секциях №2 и №3. Сложнее всего была реализации критической секции №2, так как требовалось обеспечить вывод массива только одним потоком, с тем условием, чтобы другие потоки успели пройти критическую секцию №1, именно для этого используется задержка sleep(1); если бы не эта задержка на 1 секунду, то другой поток мог не успеть выйти из критической секции №1, а может и несколько. Покажем пример каждого случая после корректной работы программы.
Результат работы программы:
Случай 1: задержка на 1 секунду после барьера в критической секции №1 отсутствует.
Потоки №№ 1, 2 и 5 застревают в бесконечном цикле while(), где значение value закрепилось потоками 3 и 4 в ненулевом состоянии.
Случай 2: отсутствие мьютекса перед входом в оператор if.
Никто не дожидается потока 2, другие потоки просто проскакивают мимо!
Вывод:
Врезультате мы достигли следующего:
1.Научились работать с потоками в системе Linux, также применили знания для написания программы;
2.Повторили материал по потокам ввода-вывода, стандартным конструкциям языка C++;
3.Использовали семафор в ролях: мьютекса, условной переменной, барьера
– для синхронизации одновременно выполняющихся потоков;