Разработка приложения с несколькими обрабатывающими файл потоками, использующими взаимоисключение на основе критической секции без блокировки частей файла

Разработка приложения с несколькими обрабатывающими файл потоками, использующими взаимоисключение на основе критической секции без блокировки частей файла

Разработка приложения с несколькими обрабатывающими файл потоками, использующими взаимоисключение на основе критической секции без блокировки частей файла

Задание

приложение многопоточный взаимоисключение блокировка

Разработать приложение с тремя рабочими потоками. Первоначально по команде главный поток заполняет файл 10000 - ми трехбайтовых записей, поля каждой из которых формируются случайным образом. Каждая запись интерпретируется как цвет в модели RGB и используется для закраски квадрата, отображаемого в области рисунка диалогового окна приложения. Область рисунка окна приложения разбивается на 100×100 квадратов. Записи файла отображаются на матрицу квадратов области рисунка построчно. После создания файла записей главный поток прорисовывает соответствующие им квадраты в области рисунка. Далее, по соответствующей команде запускаются одновременно три рабочих потока. Первый рабочий поток упорядочивает записи файла в порядке возрастания по первому полю (интенсивность красного цвета). Второй рабочий поток упорядочивает записи по второму полю (интенсивность зеленого цвета) в порядке возрастания при равенстве у записей первых полей. Третий рабочий поток упорядочивает записи по третьему полю (интенсивность синего цвета) в порядке возрастания при равенстве у записей первых полей и вторых полей. Упорядочение производится перестановкой двух соседних записей путем циклического продвижения по записям файла каждым из потоков. Для обеспечения взаимоисключения потоков при сравнении и перестановке соседних записей использовать критическую секцию. Блокировку файла и его частей не использовать. После каждой перестановки пары соседних записей должна происходить перерисовка соответствующей пары квадратов в области рисунка окна приложения. Остановка работы потоков производится по соответствующей команде. Предусмотрите все необходимые элементы управления в интерфейсе приложения. Для лучшего наблюдения за работой потоков предусмотрите временные задержки в их работе. Управление величиной задержки вынесите в интерфейс приложения.

1. Анализ предметной области

Для разработки приложения было решено использовать среду Microsoft Visual Studio 2010 Express, так как она на данный момент является современной, наиболее оптимизированной, удобной, а также бесплатной.

Исходя из технического задания, был разработан план, содержащий основные моменты задания и позволяющий отслеживать выполнение работы.

+ интерфейс

+ обработчики событий

+ синхронизацию потоков производить посредством критических секции

+ организовать возможность отключения всех / определенного потока

Все действия по работе с цветом и синхронизацией потоков будут организованы с помощью WinAPI-функций.

2. Интерфейс приложения

Перед созданием скриншота второй и третий поток были выключены на пару минут. Поэтому мы можем наблюдать, что часть красных пикселей была вытеснена в правую часть.

.        Панель управления потоками, предоставляющая возможность включить / выключить отдельный поток

.        Панель управления задержкой.

.        Кнопка, позволяющая приостановить / продолжить работу сразу всех дочерних потоков

.        Изображение размером 100х100 отображающее ход работы потоков.

.        Индикатор хода работы потока, производящего сортировку по первой составляющей RGB-цвета.

.        Индикатор хода работы потока, производящего сортировку по второй составляющей RGB-цвета.

.        Индикатор хода работы потока, производящего сортировку по третьей составляющей RGB-цвета.

3. Исходный код программы

Проект состоит из одного модуля, т.к. код оптимизирован, минимизирован и не нуждается в разбиении на составляющие.

// course_work_027.cpp

#include «stdafx.h»

#include <stdlib.h>

#include <wingdi.h>

#include <iostream>

#include «stdlib.h»;

#include «time.h»;

#define NUM 10000 // Количество пикселей

#define MAX 16581375 // Максимальное значение RGB-цвета в int-представлении

#define Randomize() srand((unsigned) time(NULL)); // Генератор случайных значений

const short X1 = 270; // Координаты квадрата, в котором выводится ход сортировки

const short X2 = 370;short Y1 = 10;short Y2 = 110;hwnd;

HINSTANCE hInst; // Для сохранения дескриптора приложения_SECTION cs; // Идентификатор критической секцииhdc = NULL; // Дескриптор полотна для рисованияrect; // Прямоугольник для позиционирования элементов управленияpause=0; // Флаг паузыcolors[10001]; // Цвет пикселейdelay=0; // Значение задержки

// Удобная функция для вывода сообщений

void ShowMessage (wchar_t* wch) {MessageBoxW (NULL, wch, wch, NULL);

}

// Генератор случайных чисел в диапазонеRandom (int range_min, int range_max)

{(double) rand() / (RAND_MAX + 1) * (range_max - range_min)+ range_min;

}

// Генератор случайных чисел от 0 до заданного значения

int Random (int range_max)

{(double) rand() / (RAND_MAX + 1) * (range_max);

}

// Возвращает текст объекта по ID

wchar_t* getText (int hItem) {

int length = GetWindowTextLength (GetDlgItem(hwnd, hItem));(length > 0)

{_t* tempChar;= (wchar_t*) GlobalAlloc (GPTR, length + 1);(hwnd, hItem, LPWSTR(tempChar), length + 1);tempChar;

}0;

}

// Потоки запросовhThread1 = NULL;hThread2 = NULL;hThread3 = NULL;

// Флаги активности потоков

bool bThrActive[3];

// Код выхода

DWORD dwExitCode;

APIENTRY WinMain (HINSTANCE hInstance,hPrevInstance,lpCmdLine,nCmdShow)

{wchar_t szAppName[]=L «arbora_course_27»;msg;wndclass;= hInstance;

// Инициализация критической секции(&cs);  

// Создаем потоки с флагом, «запуск ожидается»

hThread1 = CreateThread (NULL, 0,&Thread1, NULL, CREATE_SUSPENDED, NULL);       = CreateThread (NULL, 0,&Thread2, NULL, CREATE_SUSPENDED, NULL);         = CreateThread (NULL, 0,&Thread3, NULL, CREATE_SUSPENDED, NULL);

// Инициализируем окно.cbSize = sizeof(wndclass);.style = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW;.lpfnWndProc = WndProc;.cbClsExtra = 0;.cbWndExtra = 0;.hInstance = hInstance;.hIcon = LoadIcon (NULL, IDI_APPLICATION);.hCursor = LoadCursor (NULL, IDC_ARROW);.hbrBackground = (HBRUSH) GetStockObject (WHITE_BRUSH);.lpszMenuName = NULL;.lpszClassName = szAppName;.hIconSm = LoadIcon (NULL, IDI_APPLICATION);

// Регистрируем окно(&wndclass);= CreateWindow (szAppName, L «Курсовая работа Арбора Сергей ПЕ-01б (Вариант 27)», WS_OVERLAPPEDWINDOW,_USEDEFAULT, CW_USEDEFAULT,

, 300,, NULL, hInstance, NULL);(hwnd, nCmdShow);(hwnd);

// Создаем цикл сообщений(GetMessage (&msg, NULL, 0, 0))

{(&msg);(&msg);

}

// Завершение всех потоков и семафоров при выходе

// Удаление критической секция(&cs);msg.wParam;

}APIENTRY Thread1 (PVOID lpParameter)

{(true) {k=0; // Обход массива с цветом пикселей

for (int i=0; i<100; ++i)(int j=0; j<100; ++j) {(delay); // Задержка

// Если поток выключен или пауза - пропуск итерации

if (! bThrActive[0] || pause) continue;

// Вход в критическую секцию(&cs);

// Выводим ход работы потока в соответствующую ему квадратную область

SetPixel (hdc, X1+110+j, Y1+i, RGB (155,0,0));

// Приводим тип int к COLORREFcl1 = colors[k];

COLORREF cl2 = colors [k+1];

// Если текущий пиксель содержит больше цвета по которому сортирует поток чем следующий - смена местами и перерисовка

if (GetRValue(cl1) > GetRValue(cl2))

{(hdc, X1+j, Y1+i, cl2);(hdc, X1+j+1, Y1+i, cl1);x = colors[k];[k] = colors [k+1]; [k+1] = x;

}

// Выход из критической секции

LeaveCriticalSection(&cs);

++k;

}

// Проход цикла завершен - стираем закрашенную область соответствующую данному потоку

RECT r;

r.left = X1+110;.top = Y1;.right = X2+110;.bottom = Y2;(hwnd,&r, true);

}

}APIENTRY Thread2 (PVOID lpParameter)

{(true) {k=0;(int i=0; i<100; ++i) {(int j=0; j<100; ++j) {(delay);(! bThrActive[1]) continue;(&cs);(hdc, X1+j, Y1+110+i, RGB (0,155,0));(! pause) {cl1 = colors[k];cl2 = colors [k+1];(GetGValue(cl1) > GetGValue(cl2)) {(hdc, X1+j, Y1+i, cl2);(hdc, X1+j+1, Y1+i, cl1);x = colors[k];[k] = colors [k+1];[k+1] = x;

}

}(&cs);

++k;

}

}

RECT r;.left = X1;.top = Y1+110;.right = X2;.bottom = Y2+110;(hwnd,&r, true);

}

}APIENTRY Thread3 (PVOID lpParameter)

{(true) {k=0;(int i=0; i<100; ++i) {(int j=0; j<100; ++j) {(delay);(! bThrActive[2]) continue;(&cs);(hdc, X1+110+j, Y1+110+i, RGB (0,0,155));(! pause) {cl1 = colors[k];cl2 = colors [k+1];(GetBValue(cl1) > GetBValue(cl2))

{(hdc, X1+j, Y1+i, cl2);(hdc, X1+j+1, Y1+i, cl1);x = colors[k];[k] = colors [k+1];[k+1] = x;

}

}(&cs);

++k;

}

}

RECT r;.left = X1+110;.top = Y1+110;.right = X2+110;.bottom = Y2+110;(hwnd,&r, true);

}

}CALLBACK WndProc (HWND hwnd, UINT iMsg, WPARAM wParam, LPARAM lParam)

{ps;HWND hCBThread[3]; // Переключатели потоковHWND hEditDelay; // Поле ввода задержки

static HWND hBtnDelay; // Кнопка установки новой задержки

static HWND hBtnPause; // Кнопка паузы_t szBuffer[100];(iMsg)

{WM_CREATE:(hwnd,&rect); // Установка Padding (отступ внутри окна).top+=10;.bottom-=10;.left+=10;.right-=10;

// Создание элементов интерфейса[0] = CreateWindow (L «BUTTON», L «Поток 1», BS_AUTOCHECKBOX|WS_CHILD|WS_VISIBLE,           rect.left, rect.top, 230, 30, hwnd, (HMENU) 1, hInst, NULL);[1] = CreateWindow (L «BUTTON», L «Поток 2», BS_AUTOCHECKBOX|WS_CHILD|WS_VISIBLE,           rect.left, rect.top+25, 230, 30, hwnd, (HMENU) 2, hInst, NULL);[2] = CreateWindow (L «BUTTON», L «Поток 3», BS_AUTOCHECKBOX|WS_CHILD|WS_VISIBLE,           rect.left, rect.top+50, 230, 30, hwnd, (HMENU) 3, hInst, NULL);= CreateWindow (L «EDIT», NULL, WS_CHILD|WS_VISIBLE|WS_BORDER|ES_AUTOHSCROLL|ES_LEFT,  rect.left,               rect.top+100, 60, 30, hwnd, (HMENU) 12, hInst, NULL);= CreateWindow (L «BUTTON», L «Установить задержку», WS_CHILD|WS_VISIBLE,                               rect.left+70,         rect.top+100, 160,        30, hwnd, (HMENU) 13, hInst, NULL);= CreateWindow (L «BUTTON», L «Пауза», WS_CHILD|WS_VISIBLE,                                                                          rect.left,               rect.top+145, 230,        30, hwnd, (HMENU) 14, hInst, NULL);

// Активация кнопок(hCBThread[0], BM_SETCHECK, 1, 0);(hCBThread[1], BM_SETCHECK, 1, 0);(hCBThread[2], BM_SETCHECK, 1, 0);(int i=0; i<3; ++i) bThrActive[i] = true;(int i=0; i<NUM; ++i) colors[i] = (COLORREF) RGB((rand()&255), (rand()&255), (rand()&255));[10000]=0;(hThread1);(hThread2);(hThread3);0;WM_PAINT:(hwnd, &rect);= BeginPaint (hwnd, &ps);hBrush;hdc;

hdc = GetDC(hwnd); = CreateSolidBrush (RGB (0, 0, 0));

// Перерисовываем исходя из текущего отсортированного массива цвета

SelectObject (hdc, hBrush);

{k=0;(int i=0; i<100; ++i)(int j=0; j<100; ++j) {(hdc, X1+i, Y1+j, colors [k++]);

}

}(hwnd, hdc);(hBrush);0;WM_SIZE:0;WM_COMMAND:(LOWORD(wParam)) {

case 1:case 2:case 3:

// Включение / Отключение выбранного потока

bThrActive [wParam-1] = (SendMessage (GetDlgItem(hwnd, wParam), BM_GETCHECK, 0, 0) == BST_CHECKED);;13: // Установка задержки= _wtoi (getText(12));;14:=! pause;;

}0;WM_DESTROY:(0);0;

}DefWindowProc (hwnd, iMsg, wParam, lParam);

}

Выводы

Процесс (задача) - программа, находящаяся в режиме выполнения. В многозадачной системе реальный процессор переключается с процесса на процесс, но для упрощения модели рассматривается набор процессов, идущих параллельно (псевдопараллельно). Каждому процессу соответствует адресное пространство и одиночный поток исполняемых команд. В многопользовательских системах, при каждом обращении к одному и тому же сервису, приходится создавать новый процесс для обслуживания клиента. Это менее выгодно, чем создать квазипараллельный поток внутри этого процесса с одним адресным пространством. Преимущества использования потоков:

·        Упрощение программы в некоторых случаях, за счет использования общего адресного пространства.

·        Быстрота создания потока, по сравнению с процессом, примерно в 100 раз.

·        Повышение производительности самой программы, т.к. есть возможность одновременно выполнять вычисления на процессоре и операцию ввода / вывода. Пример: текстовый редактор с тремя потоками может одновременно взаимодействовать с пользователем, форматировать текст и записывать на диск резервную копию.

Во время разработки программного продукта я изучил и применил на практике использование нескольких потоков в одном приложении. Это позволило увеличить быстродействие приложения, а также разграничить пользовательский интерфейс и обработку данных.

Также я познакомился и научился применять функции WinAPI для работы с файлами. Это также позволило увеличить быстродействие и упростить программный продукт, так как доступ к файлам осуществлялся напрямую через Windows.

В итоге был разработан конечный программный продукт, наглядно демонстрирующий работу многопоточного приложения. Уверен, полученные знания можно будет применять в дальнейшем для разработки более сложных проектов.

Используемая литература

2.      С.В. Назаров. Операционные среды, системы и оболочки. Основы структурной и функциональной организации: Учеб.пособие. - М.: КУДИЦ-ПРЕСС, 2007. - 504 с., илл.

.        С.В. Назаров, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко. Операционные системы. Практикум. Под ред. С.В. Назарова - М.: КУДИЦ-ПРЕСС, 2008. - 464 с., илл.

.        В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. Сетевые операционные системы: Учебник для вузов. 2-е изд. - СПб.: Питер, 2008. - 669 с.: ил.

.        Д.В. Иртегов. Введение в операционные системы. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2008. - 1040 с.: ил. - (Учебное пособие)

.        Х.М. Дейтел, П.Дж. Дейтел, Д.Р. Чофнес. Операционные системы. Основы и принципы: Третье издание. Пер. с англ. - М.: ООО «Бином-Пресс», 2006 г. - 1024 с.: ил.

.        Х.М. Дейтел, П.Дж. Дейтел, Д.Р. Чофнес. Операционные системы. Распределенные системы, сети, безопасность: Третье издание. Пер. с англ. - М.: ООО «Бином-Пресс», 2006 г. - 704 с.: ил.

.        Э. Таненбаум. Современные операционные системы. 2-е изд. - СПб.: Питер, 2006. - 1038 с.: ил.

.        Д. Бэкон, Т. Харрис. Операционные системы. - СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2004. - 800 с.: ил.

.        Джеффри Рихтер. Windows для профессионалов (программирование в Win32 API для WindowsNT 3.5 и Windows 95) /Пер. с англ. - М.: Издательский отдел «Русская редакция» ТОО «ChannelTradingLtd.», 1995. - 720 с.: ил.

.        Джеффри Рихтер. Windows для профессионалов: создание эффективных Win32 приложений с учетом специфики 64-разрядной Windows /Пер. с англ. - 4-е изд. - Спб.: Питер; М.: Издательство «Русская редакция», 2008. - 722 с.: ил.

.        Ч. Петзолд. Программирование для Windows 95. Том 1: пер. с англ. - СПб.: BHV - Санкт-Петербург, 1997. - 752 с., ил.

.        Ч. Петзолд. Программирование для Windows 95. Том 2: пер. с англ. - СПб.: BHV - Санкт-Петербург, 1997. - 368 с., ил.