线程同步和互斥操作的实现
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。
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
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）：①将信号量m的值减1，即m=m-1；
②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）：①将信号量m的值加1，即m=m+1；
②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。
进程P1 进程P2 …… 进程Pn
…… …… …… ……
P（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。
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){/*区块*/}，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；
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。
p(Empty);
p(Mutex);
stocks++;
临界区
v(Mutex);
v(Full);
sleep(n);
p(Full);
p(Mutex);
stocks--;
临界区
v(Mutex);
v(Empty);
sleep(n);
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() + "\r\n" + "ThreadName: " + sellerName + "\tGlobal value:" + PS.stocks);
PS.Mutex.v();
PS.Empty.v();
sleep((long) ((10000) * Math.random()));
} catch (InterruptedException ex) {
break;
}
}
}
}
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.getText() + "\r\n" + "ThreadName: " + producerName + "\tGlobal value:" + PS.stocks);
PS.Mutex.v();
PS.Full.v();
sleep((long) ((10000) * Math.random()));
} catch (InterruptedException ex) {
break;
}
}// while
}
}
class semaphore { //信号量
private int mutex;
semaphore(int m) { //构造函数
mutex = m; //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() {
mutex++;
if (mutex <= 0) {
notify();
}
}
public void setMutex(int sm) {
this.mutex = sm;
}
}
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()));
}
}
}
public class PS extends javax.swing.JFrame {
…… //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 semaphore(0);
static semaphore Empty = new semaphore(stockNum);
static semaphore Mutex = new semaphore(1);
mainThread mt = new mainThread();
public PS() { …… } //初始化界面数据等 略；
private void startButtonActionPerformed(java.awt.event.ActionEvent evt) {
mt.start();
PS.outjTextArea1.setText(null);
this.setEnFalse();
}
private void jButton6ActionPerformed(java.awt.event.ActionEvent evt) {
System.exit(0);
}
private void sellButtonActionPerformed(java.awt.event.ActionEvent evt) {
try {
int t = Integer.parseInt(this.sellerJTextField.getText().trim());
if (t > 0 && t <= 100) {
PS.sellerNum = t;
PS.sellsersJLabel.setText(String.valueOf(sellerNum));
} else {
JOptionPane.showMessageDialog(null, "销售者线程在1到100之间", "", JOptionPane.INFORMATION_MESSAGE);
}
} catch (NumberFormatException numberFormatException) {
JOptionPane.showMessageDialog(null, "参数输入错误", "", JOptionPane.INFORMATION_MESSAGE);
}
}
private void produceButtonActionPerformed(java.awt.event.ActionEvent evt) {
try {
int t = Integer.parseInt(this.producerJTextField.getText().trim());
if (t > 0 && t <= 100) {
PS.producerNum = t;
PS.producersJLabel.setText(String.valueOf(producerNum));
} else {
JOptionPane.showMessageDialog(null, "生产者线程在1到100之间", "", JOptionPane.INFORMATION_MESSAGE);
}
} catch (NumberFormatException numberFormatException) {
JOptionPane.showMessageDialog(null, "参数输入错误", "", JOptionPane.INFORMATION_MESSAGE);
}
}
private void stockButtonActionPerformed(java.awt.event.ActionEvent evt) {
try {
int t = Integer.parseInt(this.stocksJTextField.getText().trim());
if (t > 0 && t <= 100000) {
PS.stockNum = t;
PS.stockNumJLabel.setText(String.valueOf(t));
Empty.setMutex(t);
} else {
JOptionPane.showMessageDialog(null, "库存总量应在1到100000之间", "", JOptionPane.INFORMATION_MESSAGE);
}
} catch (NumberFormatException numberFormatException) {
JOptionPane.showMessageDialog(null, "参数输入错误", "", JOptionPane.INFORMATION_MESSAGE);
}
}
public static void main(String args[]) {
java.awt.EventQueue.invokeLater(new Runnable() {
public void run() {
new PS().setVisible(true);
}
});
}
public void setEnFalse() {
// this.stopButton.setEnabled(true);
this.startButton.setEnabled(false);
this.sellButton.setEnabled(false);
this.produceButton.setEnabled(false);
this.stockButton.setEnabled(false);
}
public void setEnTrue() {
// this.stopButton.setEnabled(false);
this.startButton.setEnabled(true);
this.sellButton.setEnabled(true);
this.produceButton.setEnabled(true);
this.stockButton.setEnabled(true);
}
}
程序的同步与互斥其实并不难理解，同步其实就是一种排队，不通的线程排队等待对某个数据结构进行操作，线程共享同一个数据结构。互斥是指共享的数据结构在某一时刻只能有一个线程对其进行操作。
程序编写过程中要注意pv操作，它是原语操作，不可中断，在java中提供了Synchronized实现此功能。
信号量的设置，首先应有一个互斥信号量，保证数据结构只有一个线程操作。还要有表示数据结构容量的信号量，判断是否已满或者已空。
实现了同步功能后要用一些方法直观的显示出同步与互斥的效果，如在线程操作的时候输出操作信息，但这样不是很直观，所以我采用了一个进度条表示总数据库里面数据的情况，进度百分比表示此时数据库数据存在的比例。如果已满则显示100%，空显示0%，这样可以动态的观察程序不断的生产和销售的整个过程。
处于用户友好性的考虑，应该设置按钮可以让用户自己设置数据库的容量，生产者销售这线程数目等（参考运行界面）。
