幾種典型同步模型的探討

魯向前+謝垂益

摘要：從同步線程數(shù)量和同步方向角度把同步模型分為六種類型，即單線程-單線程單向同步、單線程-單線程循環(huán)雙向同步、單線程-多線程單向全部同步、單線程-多線程單向部份同步、多線程-單線程單向全部同步和多線程-單線程單向部份同步。在Windows7+VS2012平臺下，使用每線程一窗口的獨立窗口過程函數(shù)獨立處理窗口消息，實現(xiàn)同步線程之間輸出無耦合，力求使同步驗證簡單直觀。實踐證明，模型分類簡單，驗證過程有效。

關(guān)鍵詞：線程；進程；同步；并發(fā)；并行

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）27-0266-03

Abstract： Divide the synchronization（hereinafter referred to as SYN） model into six types from the perspective of synchronous threads number and the SYN direction，including Single-Single Threads（SST） one-way SYN，SST two-way loop SYN，Single-Multiple Threads（SMT） one-way all SYN，SMT one-way partial SYN，MST one-way all SYN and MST one-way partial SYN.In the Windows7+VS2012 platform， with the method of one window per thread and its independent window process function to handle the window message，to achieve non-coupled output between the SYN threads， and strive to make SYN verification simple and intuitive.Practice prove that the model classification is simple and the verification process is effective.

Key words： thread； process； synchronization； concurrency； parallel

1 背景

互斥同步技術(shù)是實現(xiàn)操作系統(tǒng)內(nèi)核功能如進程控制、進程通信等的基本保障技術(shù)[1]，同時，許多應(yīng)用軟件在解決并發(fā)并行任務(wù)時也廣泛使用操作系統(tǒng)中原本為內(nèi)核需求提供的同步互斥技術(shù)[2-3]。因此對該技術(shù)進行歸納和建立一些標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用模板，對我們在解決應(yīng)用中的并發(fā)并行問題具有啟發(fā)意義。

不同的操作系統(tǒng)以及不同語言集成開發(fā)類庫或第三方提供的開發(fā)軟件包提供的同步互斥內(nèi)核技術(shù)和開發(fā)接口并不相同，但從應(yīng)用端來說，可以使用相似的同步互斥框架來實現(xiàn)，一般都是使用P/V原語的方法來描述同步互斥的解決方案。

操作系統(tǒng)中同步互斥綜合實例有哲學(xué)家進餐問題、讀者-寫者問題、生產(chǎn)者-消費者問題等，許多學(xué)者對這些算法進行了研究和實現(xiàn)[4-7]。本文從線程數(shù)量和同步方向角度總結(jié)出幾種典型的同步模型，并在Windows7+VS2012平臺上實現(xiàn)和驗證，以幫助開發(fā)者厘清思路，快速選擇同步應(yīng)用方案。

2 Windows提供的同步對象及接口介紹

Windows提供的同步對象有事件對象、信號量對象等[8]，每種同步對象提供了相應(yīng)的創(chuàng)建對象的內(nèi)核函數(shù)以及相關(guān)的其他對象操作函數(shù)。

1） 事件對象：Windows提供的創(chuàng)建事件對象函數(shù)是CreateEvent。該函數(shù)返回事件對象句柄。函數(shù)的第二個參數(shù)用于指定創(chuàng)建的事件對象是否是人工重置的事件對象，如果為false，表示非人工重置（即自動重置）事件對象，如果為true，表示人工重置事件對象。函數(shù)的第三個參數(shù)表示事件對象的初始狀態(tài)，如果為true，表示事件對象創(chuàng)建成功后的初值為有信號狀態(tài)，否則為非信號狀態(tài)。

事件對象的相關(guān)函數(shù)主要有：SetEvent和ResetEvent。自動重置事件對象在任意一個等待該事件對象的線程被釋放時，都會自動的將該事件對象置為非信號狀態(tài)。ResetEvent函數(shù)主要用于人工重置事件對象。人工重置對象不能自動被置為非信號狀態(tài)，必須調(diào)用ResetEvent函數(shù)才能置為非信號狀態(tài)。人工重置事件對象為有信號狀態(tài)時，對使用該指定事件對象作為參數(shù)調(diào)用Wait**函數(shù)的任何數(shù)量的等待線程或后續(xù)線程，都能夠獲得同步信號。

2） 信號量對象：Windows提供的創(chuàng)建信號量對象函數(shù)是CreateSemaphore。函數(shù)的第三個參數(shù)用于指定信號量對象的最大值，第二個參數(shù)用于指定信號量對象內(nèi)部計數(shù)變量的初始值。操作系統(tǒng)內(nèi)核對信號量對象內(nèi)部計數(shù)變量值進行管理，當(dāng)一個線程調(diào)用ReleaseSemaphore函數(shù)時，該值會加上指定值，當(dāng)釋放待該信號量對象的線程時，該值會減1。

3） 同步對象的相關(guān)函數(shù)：Windows提供一組可以使線程阻塞自身執(zhí)行的等待函數(shù)，如WaitForSingleObject與WaitForMultipleObjects，分別用于等待單一同步信號和等待多個同步信號。一個線程在調(diào)用這類函數(shù)后，如果等待的同步對象處于非信號狀態(tài)，將會被置于阻塞狀態(tài)。當(dāng)同步對象處于有信號狀態(tài)時，操作系統(tǒng)會發(fā)送同步信號給該線程。

3 幾種典型的同步模型

下文同步模型圖形中的符號約定：實線箭頭代表線程的執(zhí)行流程，虛線箭頭代表同步信號的發(fā)生過程（但要注意，同步信號并非由一個線程直接發(fā)送到另一個線程，而是由操作系統(tǒng)完成同步信號的通信過程），矩形框代表線程處于阻塞狀態(tài)。endprint

在實現(xiàn)中每個線程創(chuàng)建各自獨立的窗口，各個窗口使用各自獨立的窗口過程函數(shù)進行消息處理。

創(chuàng)建同步對象的代碼寫在程序主函數(shù)內(nèi)，其他代碼寫在各自線程窗口過程函數(shù)內(nèi)的鼠標(biāo)右擊事件中。實現(xiàn)代碼中的WaitFor**函數(shù)相當(dāng)于P原語，SetEvent函數(shù)和ReleaseSemaphore函數(shù)相當(dāng)于V原語。

驗證時應(yīng)先在B系列線程的窗口中右擊鼠標(biāo)，以使B系列線程先執(zhí)行P原語，線程阻塞（即等待同步信號），然后再在A系列線程的窗口中右擊，使A系列線程執(zhí)行V原語，讓線程發(fā)出同步信號，以便觀察所有線程的同步執(zhí)行結(jié)果。

1） 單線程-單線程單向同步

2） 單線程-單線程循環(huán)雙向同步

同步模型如圖2所示。模型中使用兩個自動重置事件對象。初始時使一個處于有信號狀態(tài)，另一個處于無信號狀態(tài)。

3） 單線程-多線程單向全部同步

6） 多線程-單線程單向部份同步

同步模型如圖6所示。實現(xiàn)時與（5）相似，只需把線程B代碼中的4改為3即可。驗證時只需A系列線程中的任意3個線程發(fā)出同步信號即可激活B線程。

4 結(jié)束語

本文使用Windows平臺提供的同步對象實現(xiàn)了多種同步模板，但各種同步模型的實現(xiàn)方法并不唯一，讀者也可以使用其他同步對象或同步通信函數(shù)來實現(xiàn)。讀者也可以使用其他平臺如Linux+Java平臺提供的類似的同步技術(shù)來完成，也可以在Windows平臺下使用VS的封裝接口進行實現(xiàn)。

參考文獻：

[1] 湯小丹， 梁紅兵， 哲鳳屏， 等. 計算機操作系統(tǒng)[M]. 西安： 西安電子科技大學(xué)出版社， 2014.

[2] 牛欣源. 進程同步的資源管理模型構(gòu)建與應(yīng)用[J]. 計算機技術(shù)與發(fā)展， 2010， 20（06）：9-12，17.

[3] 王曉瑞. 基于SOA的分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)信息同步系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].開封： 河南大學(xué)， 2016.

[4] 張步忠. Java語言中的線程同步互斥研究[J]. 安慶師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版， 2011， 17（4）：106-110.

[5] 魯力， 韓潔， 徐琴. PV操作解決進程同步問題的難點研究與實現(xiàn)[J]. 電腦知識與技術(shù)， 2017， 13（13）：38-39.

[6] 常靜. 操作系統(tǒng)中PV操作實現(xiàn)進程的同步與互斥[J]. 電腦知識與技術(shù)， 2012， 18（30）：7144-7147，7153.

[7] 高升， 陳月峰. 哲學(xué)家就餐問題的算法實現(xiàn)[J]. 計算機工程與科學(xué)， 2016， 38（2）：269-276.

[8] Windows幫助文檔[EB/OL].https：//msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms686360（v=vs.85）.aspx.endprint