多线程应用程序设计实验报告(多线程应用程序设计实验报告怎么写)

c语言程序设计实验报告

五、 课程设计小结心得体会

1设计思想

1)、设定一个一维数组，可先按员工序号设定每位员工的工资

2)、利用While语句和Prinft语句完成用户菜单的设计

功能为：第1项 设为员工编号和工资数据

第2项 设为修改员工工资数据

第3项 设为查询员工工资数据

第4项 设为结束系统

3)、当用户选择1、2项时，需输入员工编号，所以需要设计编号校正功能，如果出错可输出“The error employe number”

4)、当选择2时,进行工资数据的修改，并将新数据存回该员工的工资数组中

5)、利用for循环中判断语句，将用户工资数与数组中的工资数进行比较，如相同则输出，将计数器加1,如此下去，直到把整个数组遍历一遍

6)、判断计数器是否为0, 是0表示找不到相符的工资，如果不为0,则输出共查出几比相符的工资

以上当然里面也涉及了“函数的模块化”理念，可以避免但需要重复打印头文件时重复编写打印信头的语句。像这样的程序是多见的，这样不但降低了程序还发效率，而且耗时浪费资源“共用体”的使用简化了程序的“复杂”性，正如(4)中，学号与姓名同时表示一个人，但在函数使用了“共用体”，从而程序的简单可以便于纠错，查找问题，避免了代码的重复，这样就给编译时带来了一定的难度与“量”的繁杂。一般不采取这样的做法，力求“简单、明了、清晰”。

一个Linux多进程编程？

1 引言

对于没有接触过Unix/Linux操作系统的人来说，fork是最难理解的概念之一：它执行一次却返回两个值。fork函数是Unix系统最杰出的成就之一，它是七十年代UNIX早期的开发者经过长期在理论和实践上的艰苦探索后取得的成果，一方面，它使操作系统在进程管理上付出了最小的代价，另一方面，又为程序员提供了一个简洁明了的多进程方法。与DOS和早期的Windows不同，Unix/Linux系统是真正实现多任务操作的系统，可以说，不使用多进程编程，就不能算是真正的Linux环境下编程。

多线程程序设计的概念早在六十年代就被提出，但直到八十年代中期，Unix系统中才引入多线程机制，如今，由于自身的许多优点，多线程编程已经得到了广泛的应用。

下面，我们将介绍在Linux下编写多进程和多线程程序的一些初步知识。

2 多进程编程

什么是一个进程？进程这个概念是针对系统而不是针对用户的，对用户来说，他面对的概念是程序。当用户敲入命令执行一个程序的时候，对系统而言，它将启动一个进程。但和程序不同的是，在这个进程中，系统可能需要再启动一个或多个进程来完成独立的多个任务。多进程编程的主要内容包括进程控制和进程间通信，在了解这些之前，我们先要简单知道进程的结构。

2.1 Linux下进程的结构

Linux下一个进程在内存里有三部分的数据，就是"代码段"、"堆栈段"和"数据段"。其实学过汇编语言的人一定知道，一般的CPU都有上述三种段寄存器，以方便操作系统的运行。这三个部分也是构成一个完整的执行序列的必要的部分。

"代码段"，顾名思义，就是存放了程序代码的数据，假如机器中有数个进程运行相同的一个程序，那么它们就可以使用相同的代码段。"堆栈段"存放的就是子程序的返回地址、子程序的参数以及程序的局部变量。而数据段则存放程序的全局变量，常数以及动态数据分配的数据空间（比如用malloc之类的函数取得的空间）。这其中有许多细节问题，这里限于篇幅就不多介绍了。系统如果同时运行数个相同的程序，它们之间就不能使用同一个堆栈段和数据段。

2.2 Linux下的进程控制

在传统的Unix环境下，有两个基本的操作用于创建和修改进程：函数fork( )用来创建一个新的进程，该进程几乎是当前进程的一个完全拷贝；函数族exec( )用来启动另外的进程以取代当前运行的进程。Linux的进程控制和传统的Unix进程控制基本一致，只在一些细节的地方有些区别，例如在Linux系统中调用vfork和fork完全相同，而在有些版本的Unix系统中，vfork调用有不同的功能。由于这些差别几乎不影响我们大多数的编程，在这里我们不予考虑。

2.2.1 fork( )

fork在英文中是"分叉"的意思。为什么取这个名字呢？因为一个进程在运行中，如果使用了fork，就产生了另一个进程，于是进程就"分叉"了，所以这个名字取得很形象。下面就看看如何具体使用fork，这段程序演示了使用fork的基本框架：

void main(){

int i;

if ( fork() == 0 ) {

/* 子进程程序 */

for ( i = 1; i 1000; i ++ ) printf("This is child process\n");

}

else {

/* 父进程程序*/

for ( i = 1; i 1000; i ++ ) printf("This is process process\n");

}

}

程序运行后，你就能看到屏幕上交替出现子进程与父进程各打印出的一千条信息了。如果程序还在运行中，你用ps命令就能看到系统中有两个它在运行了。

那么调用这个fork函数时发生了什么呢？fork函数启动一个新的进程，前面我们说过，这个进程几乎是当前进程的一个拷贝：子进程和父进程使用相同的代码段；子进程复制父进程的堆栈段和数据段。这样，父进程的所有数据都可以留给子进程，但是，子进程一旦开始运行，虽然它继承了父进程的一切数据，但实际上数据却已经分开，相互之间不再有影响了，也就是说，它们之间不再共享任何数据了。它们再要交互信息时，只有通过进程间通信来实现，这将是我们下面的内容。既然它们如此相象，系统如何来区分它们呢？这是由函数的返回值来决定的。对于父进程，fork函数返回了子程序的进程号，而对于子程序，fork函数则返回零。在操作系统中，我们用ps函数就可以看到不同的进程号，对父进程而言，它的进程号是由比它更低层的系统调用赋予的，而对于子进程而言，它的进程号即是fork函数对父进程的返回值。在程序设计中，父进程和子进程都要调用函数fork（）下面的代码，而我们就是利用fork（）函数对父子进程的不同返回值用if...else...语句来实现让父子进程完成不同的功能，正如我们上面举的例子一样。我们看到，上面例子执行时两条信息是交互无规则的打印出来的，这是父子进程独立执行的结果，虽然我们的代码似乎和串行的代码没有什么区别。

读者也许会问，如果一个大程序在运行中，它的数据段和堆栈都很大，一次fork就要复制一次，那么fork的系统开销不是很大吗？其实UNIX自有其解决的办法，大家知道，一般CPU都是以"页"为单位来分配内存空间的，每一个页都是实际物理内存的一个映像，象INTEL的CPU，其一页在通常情况下是4086字节大小，而无论是数据段还是堆栈段都是由许多"页"构成的，fork函数复制这两个段，只是"逻辑"上的，并非"物理"上的，也就是说，实际执行fork时，物理空间上两个进程的数据段和堆栈段都还是共享着的，当有一个进程写了某个数据时，这时两个进程之间的数据才有了区别，系统就将有区别的"页"从物理上也分开。系统在空间上的开销就可以达到最小。

下面演示一个足以"搞死"Linux的小程序，其源代码非常简单：

void main()

{

for( ; ; ) fork();

}

这个程序什么也不做，就是死循环地fork，其结果是程序不断产生进程，而这些进程又不断产生新的进程，很快，系统的进程就满了，系统就被这么多不断产生的进程"撑死了"。当然只要系统管理员预先给每个用户设置可运行的最大进程数，这个恶意的程序就完成不了企图了。

2.2.2 exec( )函数族

下面我们来看看一个进程如何来启动另一个程序的执行。在Linux中要使用exec函数族。系统调用execve（）对当前进程进行替换，替换者为一个指定的程序，其参数包括文件名（filename）、参数列表（argv）以及环境变量（envp）。exec函数族当然不止一个，但它们大致相同，在Linux中，它们分别是：execl，execlp，execle，execv，execve和execvp，下面我只以execlp为例，其它函数究竟与execlp有何区别，请通过manexec命令来了解它们的具体情况。

一个进程一旦调用exec类函数，它本身就"死亡"了，系统把代码段替换成新的程序的代码，废弃原有的数据段和堆栈段，并为新程序分配新的数据段与堆栈段，唯一留下的，就是进程号，也就是说，对系统而言，还是同一个进程，不过已经是另一个程序了。（不过exec类函数中有的还允许继承环境变量之类的信息。）

那么如果我的程序想启动另一程序的执行但自己仍想继续运行的话，怎么办呢？那就是结合fork与exec的使用。下面一段代码显示如何启动运行其它程序：

char command[256];

void main()

{

int rtn; /*子进程的返回数值*/

while(1) {

/* 从终端读取要执行的命令 */

printf( "" );

fgets( command, 256, stdin );

command[strlen(command)-1] = 0;

if ( fork() == 0 ) {

/* 子进程执行此命令 */

execlp( command, command );

/* 如果exec函数返回，表明没有正常执行命令，打印错误信息*/

perror( command );

exit( errorno );

}

else {

/* 父进程， 等待子进程结束，并打印子进程的返回值 */

wait ( rtn );

printf( " child process return %d\n",. rtn );

}

}

}

此程序从终端读入命令并执行之，执行完成后，父进程继续等待从终端读入命令。熟悉DOS和WINDOWS系统调用的朋友一定知道DOS/WINDOWS也有exec类函数，其使用方法是类似的，但DOS/WINDOWS还有spawn类函数，因为DOS是单任务的系统，它只能将"父进程"驻留在机器内再执行"子进程"，这就是spawn类的函数。WIN32已经是多任务的系统了，但还保留了spawn类函数，WIN32中实现spawn函数的方法同前述UNIX中的方法差不多，开设子进程后父进程等待子进程结束后才继续运行。UNIX在其一开始就是多任务的系统，所以从核心角度上讲不需要spawn类函数。

在这一节里，我们还要讲讲system（）和popen（）函数。system（）函数先调用fork（），然后再调用exec（）来执行用户的登录shell，通过它来查找可执行文件的命令并分析参数，最后它么使用wait（）函数族之一来等待子进程的结束。函数popen（）和函数system（）相似，不同的是它调用pipe（）函数创建一个管道，通过它来完成程序的标准输入和标准输出。这两个函数是为那些不太勤快的程序员设计的，在效率和安全方面都有相当的缺陷，在可能的情况下，应该尽量避免。

2.3 Linux下的进程间通信

详细的讲述进程间通信在这里绝对是不可能的事情，而且笔者很难有信心说自己对这一部分内容的认识达到了什么样的地步，所以在这一节的开头首先向大家推荐著名作者Richard Stevens的著名作品：《Advanced Programming in the UNIX Environment》，它的中文译本《UNIX环境高级编程》已有机械工业出版社出版，原文精彩，译文同样地道，如果你的确对在Linux下编程有浓厚的兴趣，那么赶紧将这本书摆到你的书桌上或计算机旁边来。说这么多实在是难抑心中的景仰之情，言归正传，在这一节里，我们将介绍进程间通信最最初步和最最简单的一些知识和概念。

首先，进程间通信至少可以通过传送打开文件来实现，不同的进程通过一个或多个文件来传递信息，事实上，在很多应用系统里，都使用了这种方法。但一般说来，进程间通信（IPC：InterProcess Communication）不包括这种似乎比较低级的通信方法。Unix系统中实现进程间通信的方法很多，而且不幸的是，极少方法能在所有的Unix系统中进行移植（唯一一种是半双工的管道，这也是最原始的一种通信方式）。而Linux作为一种新兴的操作系统，几乎支持所有的Unix下常用的进程间通信方法：管道、消息队列、共享内存、信号量、套接口等等。下面我们将逐一介绍。

2.3.1 管道

管道是进程间通信中最古老的方式，它包括无名管道和有名管道两种，前者用于父进程和子进程间的通信，后者用于运行于同一台机器上的任意两个进程间的通信。

无名管道由pipe（）函数创建：

#include unistd.h

int pipe(int filedis[2])；

参数filedis返回两个文件描述符：filedes[0]为读而打开，filedes[1]为写而打开。filedes[1]的输出是filedes[0]的输入。下面的例子示范了如何在父进程和子进程间实现通信。

#define INPUT 0

#define OUTPUT 1

void main() {

int file_descriptors[2];

/*定义子进程号 */

pid_t pid;

char buf[256];

int returned_count;

/*创建无名管道*/

pipe(file_descriptors);

/*创建子进程*/

if((pid = fork()) == -1) {

printf("Error in fork\n");

exit(1);

}

/*执行子进程*/

if(pid == 0) {

printf("in the spawned (child) process...\n");

/*子进程向父进程写数据，关闭管道的读端*/

close(file_descriptors[INPUT]);

write(file_descriptors[OUTPUT], "test data", strlen("test data"));

exit(0);

} else {

/*执行父进程*/

printf("in the spawning (parent) process...\n");

/*父进程从管道读取子进程写的数据，关闭管道的写端*/

close(file_descriptors[OUTPUT]);

returned_count = read(file_descriptors[INPUT], buf, sizeof(buf));

printf("%d bytes of data received from spawned process: %s\n",

returned_count, buf);

}

}

在Linux系统下，有名管道可由两种方式创建：命令行方式mknod系统调用和函数mkfifo。下面的两种途径都在当前目录下生成了一个名为myfifo的有名管道：

方式一：mkfifo("myfifo","rw");

方式二：mknod myfifo p

生成了有名管道后，就可以使用一般的文件I/O函数如open、close、read、write等来对它进行操作。下面即是一个简单的例子，假设我们已经创建了一个名为myfifo的有名管道。

/* 进程一：读有名管道*/

#include stdio.h

#include unistd.h

void main() {

FILE * in_file;

int count = 1;

char buf[80];

in_file = fopen("mypipe", "r");

if (in_file == NULL) {

printf("Error in fdopen.\n");

exit(1);

}

while ((count = fread(buf, 1, 80, in_file)) 0)

printf("received from pipe: %s\n", buf);

fclose(in_file);

}

/* 进程二：写有名管道*/

#include stdio.h

#include unistd.h

void main() {

FILE * out_file;

int count = 1;

char buf[80];

out_file = fopen("mypipe", "w");

if (out_file == NULL) {

printf("Error opening pipe.");

exit(1);

}

sprintf(buf,"this is test data for the named pipe example\n");

fwrite(buf, 1, 80, out_file);

fclose(out_file);

}

2.3.2 消息队列

消息队列用于运行于同一台机器上的进程间通信，它和管道很相似，事实上，它是一种正逐渐被淘汰的通信方式，我们可以用流管道或者套接口的方式来取代它，所以，我们对此方式也不再解释，也建议读者忽略这种方式。

2.3.3 共享内存

共享内存是运行在同一台机器上的进程间通信最快的方式，因为数据不需要在不同的进程间复制。通常由一个进程创建一块共享内存区，其余进程对这块内存区进行读写。得到共享内存有两种方式：映射/dev/mem设备和内存映像文件。前一种方式不给系统带来额外的开销，但在现实中并不常用，因为它控制存取的将是实际的物理内存，在Linux系统下，这只有通过限制Linux系统存取的内存才可以做到，这当然不太实际。常用的方式是通过shmXXX函数族来实现利用共享内存进行存储的。

首先要用的函数是shmget，它获得一个共享存储标识符。

#include sys/types.h

#include sys/ipc.h

#include sys/shm.h

int shmget(key_t key, int size, int flag);

这个函数有点类似大家熟悉的malloc函数，系统按照请求分配size大小的内存用作共享内存。Linux系统内核中每个IPC结构都有的一个非负整数的标识符，这样对一个消息队列发送消息时只要引用标识符就可以了。这个标识符是内核由IPC结构的关键字得到的，这个关键字，就是上面第一个函数的key。数据类型key_t是在头文件sys/types.h中定义的，它是一个长整形的数据。在我们后面的章节中，还会碰到这个关键字。

当共享内存创建后，其余进程可以调用shmat（）将其连接到自身的地址空间中。

void *shmat(int shmid, void *addr, int flag);

shmid为shmget函数返回的共享存储标识符，addr和flag参数决定了以什么方式来确定连接的地址，函数的返回值即是该进程数据段所连接的实际地址，进程可以对此进程进行读写操作。

使用共享存储来实现进程间通信的注意点是对数据存取的同步，必须确保当一个进程去读取数据时，它所想要的数据已经写好了。通常，信号量被要来实现对共享存储数据存取的同步，另外，可以通过使用shmctl函数设置共享存储内存的某些标志位如SHM_LOCK、SHM_UNLOCK等来实现。

多线程任务队列实现

我们在应用程序中， 要完成一些异步工作， 同时在异步工作中又要尽量少用switch case， 这时task任务继承方式就可以达到效果。我们可以在作业队列中分配或添加任务，然后作业队列负责完成任务。这里的工作队列可以是多线程的，也可以是单线程的。本文采用的是多线程的实现，单线程的可以留言给我。

设计一个多线程就可以参照线程池的框架， 它要包含几个部分：

a． 线程池管理器:用于创建并管理线程池

b． 工作线程: 线程池中实际执行的线程

c． 任务接口:将任务抽象出来，形成任务接口，从而可以通过继承来实现自己要做的事

d． 任务队列:这里是通过个queue来保存。

本文完成的工作队列是以跨平台为前提， 可以在多个平台上运行。并具有以下一些特点：

a. 作业队列是可以单线程也可以多线程

b. 作业队列有优先级，具有高优先级的作业将在队列中具有较低优先级的作业之前添加。因此，它们将在其他较低优先级作业之前处理。

c. 作业队列可以暂停，因此暂停时不能处理新作业。但是用户仍然可以将作业添加到队列中。一旦用户选择恢复作业队列，作业将被处理。

我们实现的通用线程池框架由五个重要部分组成ZLThread，ZLWorkerThread，ZLThreadManager，ZLThreadPool，ZLTask，除此之外框架中还包括线程同步使用的类ZLMutex和ZLCondition，其中重要部分的大体联系如下图：

a. ZLTask是所有的任务的基类，其提供一个接口DoTaskProc，所有的任务类都必须从该类继承，同时实现DoTaskProc方法。该方法中实现具体的任务逻辑。

b. ZLThread是线程的类抽象，其封装了各个系统线程最经常使用的属性和方法，是所有线程类的基类，具有一个接口Run。

c. ZLWorkerThread是实际被调度和执行的线程类，其从ZLThread继承而来，实现了ZLThread中的Run方法。

d. ZLThreadPool是线程池类，其负责保存线程，释放线程以及调度线程。

e. ZLThreadManager是线程池与用户的直接接口，其屏蔽了内部的具体实现。

f. ZLMutex用于线程之间的互斥。

g. ZLCondition则是条件变量的封装，用于线程之间的同步。

把线程与task任务进行统一管理，创建有限的线程数来处理task任务，如下图：

从图上可以看出主要含有三个队列，任务队列，工作线程队列，忙碌线程队列；任务队列是一个阻塞队列，任务不断地被push进来，这里要有一个线程来取任务，获取空闲线程， 交于空闲线程去处理，如果获取到任务，则将线程会进入忙碌线程队列中，执行任务的DoTaskProc工作，当工作完成，重新移出工作线程队列。

开源：

c++多线程问题

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CCriticalSection critical_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。