Linux多線程編程技術(shù)在擲骰子游戲模擬程序中的應(yīng)用

申時全（廣東科技學(xué)院計算機系，廣東東莞523000）

Linux多線程編程技術(shù)在擲骰子游戲模擬程序中的應(yīng)用

申時全
（廣東科技學(xué)院計算機系，廣東東莞523000）

為了模擬概率事件，針對擲骰子游戲規(guī)則，應(yīng)用Linux系統(tǒng)下C語言多線程機制以及多個二值信號量以實現(xiàn)多個線程間循環(huán)同步。通過偽隨機數(shù)模擬擲骰子的點數(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于多線程方式模擬4人擲骰子游戲程序，并對1 000次游戲中每個游戲者獲勝的次數(shù)進行統(tǒng)計。可以看出，在多次游戲中，每個游戲者獲勝的概率符合概率分布規(guī)律。程序運行結(jié)果表明，利用信號量可有效實現(xiàn)多個線程間的同步與互斥，并簡化了程序結(jié)構(gòu)。

多線程；線程同步；隨機數(shù)；擲骰子游戲程序

O 引言

概率事件是日常生活中經(jīng)常會遇到的，如出現(xiàn)某種狀況的可能性，產(chǎn)品出現(xiàn)故障的幾率等。本文通過一個模擬擲骰子游戲程序來模擬人們在某種博弈規(guī)則下的獲勝概率。采用線程編程模式，用一個線程模擬一個游戲者擲下6個骰子，并按一定規(guī)則給出“叫點”數(shù)。通過1 000次游戲，統(tǒng)計出每個游戲者獲勝次數(shù)N，則獲勝概率為N/1 000。

線程是Linux系統(tǒng)的一個執(zhí)行序列，其處于進程中，多個線程共享同一進程的存儲空間和資源。操作系統(tǒng)以進程為單位分配資源并進行調(diào)度。但在多進程并發(fā)運行的系統(tǒng)中，進程調(diào)度開銷比較大［1］。按一般定義：線程是一個進程內(nèi)部的一個控制序列。在一個進程中創(chuàng)建新的線程運行時，該線程會擁有自己的運行棧，并與創(chuàng)建它的線程共享全局變量等系統(tǒng)資源。一個進程中的多個線程可以處于并發(fā)運行狀態(tài)。因此，要使得一個進程中多個線程有序地工作，并有效地共享資源，就需要在線程之間進行有效的同步和互斥控制［2］。Linux系統(tǒng)提供了多種手段實現(xiàn)進程間、線程間的同步和互斥。本文介紹Linux系統(tǒng)下進行多線程編程中線程創(chuàng)建、線程掛起、線程同步和互斥等有關(guān)問題，設(shè)計了一個模擬4人進行擲骰子游戲的程序，說明了多線程編程中的同步與互斥編程技術(shù)。

為了實現(xiàn)游戲中擲骰子點數(shù)的隨機性，需要用到偽隨機數(shù)生成函數(shù)。偽隨機數(shù)在很多領(lǐng)域中都有應(yīng)用［3］。通過C標準庫中隨機函數(shù)rand（）及相關(guān)函數(shù)的應(yīng)用，給出解決指定范圍隨機整數(shù)生成通用方法。

通過指定一個較大的游戲次數(shù)（如1 000），可以統(tǒng)計出各游戲者獲勝概率，按照隨機數(shù)的出現(xiàn)概率，則每個游戲者獲勝次數(shù)相差不會太大（當(dāng)然也會有例外）。

1 Linux多線程編程中的幾個主要函數(shù)

在Linux系統(tǒng)中，線程系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)定義在Pthread.h中［2］。因此在程序中應(yīng)有如下指令：

#inc1ude

1.1 與線程編程相關(guān)的幾個常用函數(shù)

1.1.1 線程創(chuàng)建函數(shù)

建立線程的函數(shù)Pthread_create（），函數(shù)原型定義為：

int Pthread_create（Pthread_t*tid，const Pthread_attr_t*attr，void *（*start_rtn）（void），void *arg）；

參數(shù)tid是一個指向Pthread_t類型指針，如果創(chuàng)建線程成功，則在該指針所指變量中寫入線程的標識符（ID號）；參數(shù)attr是指向線程屬性的結(jié)構(gòu)體指針，一般無需設(shè)定，只要設(shè)置為NULL即可；參數(shù)start_rtn用來傳遞一個函數(shù)地址，該函數(shù)應(yīng)返回一個任意類型指針，該參數(shù)用一個定義了的函數(shù)名設(shè)置即可；參數(shù)arg是傳遞給函數(shù)的參數(shù)指針，可以為任何類型。

1.1.2 線程退出函數(shù)

線程退出函數(shù)原型定義為：

void Pthread_exit（void *retva1）；

通過調(diào)用該函數(shù)終止線程執(zhí)行，返回一個指向某對象的指針（注意不能用于返回指向局部變量的指針）。

1.1.3 使線程掛起的函數(shù)

函數(shù)原型定義為：

int Pthread_join（Pthread_t thread，void **thread_rtn）；

參數(shù)thread指定要等待的線程；參數(shù)thread_rtn是一個指針，指向另一個指針，該指針指向線程返回值。

1.1.4 獲得本線程lD的函數(shù)

函數(shù)原型定義為：

Pthread_t Pthread_se1f（void）；

通過調(diào)用該函數(shù)，可獲得當(dāng)前執(zhí)行的線程標識符（ID號）。

1.1.5 判斷兩個線程是否為同一線程的函數(shù)

函數(shù)原型定義為：

int Pthread_equa1（Pthread_t Pid1，Pthread_t Pid2）；

1.2 線程同步與互斥的幾個函數(shù)

在Linux系統(tǒng)中，有關(guān)進程、線程同步與互斥的手段有多種，這里只涉及有關(guān)的信號量函數(shù)［4］。信號量類型sem_t及相關(guān)函數(shù)定義在semaPhore.h中，因此在程序頭部應(yīng)包含#inc1ude指令。

1.2.1 創(chuàng)建信號量函數(shù)sem_init（）

函數(shù)原型定義：

int sem_init（sem_t*sem，int Pshared，unsigned inti va1ue）；

該函數(shù)初始化一個信號量，參數(shù)sem是指向信號量的指針；參數(shù)Pshared為0指示該信號量是當(dāng)前進程的局部信號量，在線程編程中，該參數(shù)置為0；參數(shù)va1ue是信號量的值。

1.2.2 控制信號量的函數(shù)

函數(shù)原型定義如下：

int sem_wait（sem_t*sem）；int sem_Post（sem_t*sem）；

這兩個函數(shù)分別對信號量sem執(zhí)行P操作和V操作。兩個函數(shù)的參數(shù)都是一個sem_t類型指針，指向由sem_init調(diào)用初始化的信號量。

1.2.3 銷毀信號量函數(shù)

函數(shù)原型定義為：

int sem_destroy（sem_t*sem）；

用完一個信號量后應(yīng)銷毀該信號量，并清理相關(guān)資源。該函數(shù)以一個信號量指針為參數(shù)，清理該信號量擁有的所有資源并銷毀這個信號量。

2 擲骰子游戲模擬程序設(shè)計技術(shù)

2.1 游戲規(guī)則定義

假定有4個游戲參與者，每人輪流擲下5個骰子，然后找出點數(shù)相同最多的點數(shù)，例如5個骰子中，出現(xiàn)最多的是3個4點，那就給出一個“叫點數(shù)”，這個叫點數(shù)就是出現(xiàn)相同點數(shù)最多的個數(shù)加1及點數(shù)，如3個4點，則“叫點數(shù)”為（4，4）。規(guī)定所有1點可以代替其他任意點數(shù)，如有2個1點，3個3點，則可叫5個3點。最后總點數(shù)（個數(shù)乘點數(shù)）最大者為獲勝者，若在一輪游戲中，有2個以上具有相同點數(shù)（最大），則多人同時獲勝，其余游戲者為失敗。這個規(guī)則由程序模擬，與實際游戲中規(guī)則有些不同。

2.2 程序功能定義

該模擬程序應(yīng)先輸入游戲者姓名，然后在屏幕上開列4個顯示窗口，用于顯示每個游戲者的點數(shù)分布（5個）、叫點數(shù)、總盤數(shù)、獲勝計數(shù)值。

2.3 程序?qū)崿F(xiàn)技術(shù)

為了使用戶界面良好，使用Linux系統(tǒng)庫curses支持，使用該庫中的輸出函數(shù)實現(xiàn)窗口數(shù)據(jù)輸出。另外需要用到如下技術(shù)：

（1）鏈表技術(shù)

在許多情況下，使用循環(huán)鏈表作為數(shù)據(jù)存儲便于程序訪問［5］。用一個單向循環(huán)鏈表存儲游戲用戶的數(shù)據(jù)，定義節(jié)點結(jié)構(gòu)如下：

tyPedef struct UserNode｛

char name［21］； //用戶名字

int count； //累計次數(shù)

int score［MAX_NUM］； //存放每次點數(shù)

int win_count； //累計獲勝次數(shù)

Struct UserNode *next；｝Node_tyPe；

把4個游戲者用戶節(jié)點組成一個帶頭節(jié)點的循環(huán)鏈表結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 游戲者用戶鏈表

（2）安全輸入技術(shù)

為了輸入用戶名，且必須在指定屏幕位置輸入，用戶輸入時不能超過限定字符個數(shù)（例如20），否則會出現(xiàn)運行錯誤。因此不能使用常規(guī)標準庫函數(shù)gets（）輸入，而是另外編寫一個函數(shù)GetString（char*str，int 1en）來實現(xiàn)。該函數(shù)中，通過調(diào)用Linux系統(tǒng)無回顯字符輸入函數(shù)getch（）讀取字符，并排除非法字符，限制輸入字符數(shù)小于或等于參數(shù)1en。其源程序?qū)崿F(xiàn)限于篇幅不再贅述。

（3）輸入游戲者姓名創(chuàng)建用戶鏈表結(jié)構(gòu)

程序中定義一個用于建立鏈表的函數(shù)Node_tyPe* creat_List（int n），這個函數(shù)建立具有n個用戶節(jié)點的循環(huán)鏈表，返回鏈表頭指針。該函數(shù)調(diào)用前面給出的函數(shù)Get-String（）輸入游戲者姓名。

（4）生成隨機數(shù)問題

在C語言的標準庫中定義了隨機數(shù)生成函數(shù)rand（），用于生成0～RAND_MAX的整數(shù)。程序采用單向函數(shù)反復(fù)迭代，周期性地輸出偽隨機序列［3］。一般，如果要生成一個給定范圍（例如1～9）的隨機數(shù)，都會使用如下語句：

rnd_num=rand（）%9 +1；

這樣不符合隨機分布原則。為了防止運行程序每次產(chǎn)生的都是同一隨機數(shù)列，有必要初始化隨機種子。使用srand（（int）time（NULL））來將偽隨機數(shù)生成器初始化為某一個不可預(yù)測點，在程序初始化時執(zhí)行。

下面給出一個用于產(chǎn)生給定范圍的隨機數(shù)函數(shù)。

int Random Int（int 1ow，int high）｛

int rnd； doub1e d；

d =（doub1e）rand（）/（（doub1e）RAND_MAX+1）；

rnd =（int）（d*（high -1ow+1））；

return rnd；

｝

（5）多窗口顯示技術(shù)

為了在每個獨立窗口顯示一個游戲用戶線程狀態(tài)數(shù)據(jù)，需要用到Linux中curses庫，該庫支持頭文件curses.h。支持窗口顯示的有關(guān)函數(shù)定義在這個頭文件中。下面列出幾個相關(guān)函數(shù)：

創(chuàng)建窗口函數(shù)，函數(shù)原型：

W INDOW *newwin（int 1ine，int co1s，int start_y，int start_x）；

在窗口指定位置進行格式化輸出，函數(shù)原型：

intmvwPrintw（W INDOW *win，int row，int co1，char*format，…）；

限于篇幅，其他函數(shù)不再列出。

（6）如何解決程序中線程同步和互斥問題

整個游戲程序由4個游戲者用戶線程和一個主線程構(gòu)成。主線程和4個游戲者用戶線程的關(guān)系是：主線程做好初始化工作，創(chuàng)建4個游戲者線程，然后做好初始準備，進入游戲循環(huán)控制。因為游戲者線程一旦創(chuàng)建就會開始執(zhí)行，所以必須處理好主線程與各個游戲用戶線程之間的同步關(guān)系。每個線程用2個信號量實現(xiàn)同步，通過參數(shù)傳遞方式將信號量傳到線程中，程序中設(shè)置5個共享的sem _t信號量。同步順序關(guān)系如圖2所示。

圖2 各線程間的同步關(guān)系

對于多線程程序，每個線程都可并發(fā)運行，但對于訪問共享數(shù)據(jù)必須是互斥訪問，即滿足互斥關(guān)系［6］。使用一個互斥信號量實現(xiàn)共享數(shù)據(jù)的互斥訪問。主線程必須使第一個游戲者線程正確進入，然后是第二個、第三個、第四個游戲者線程執(zhí)行，產(chǎn)生游戲數(shù)據(jù)并修改了狀態(tài)數(shù)據(jù)后，主線程處理結(jié)果數(shù)據(jù)，判定每個游戲者勝負，修改其獲勝統(tǒng)計值，然后進入下一輪游戲。通過共享一個全局工作指針work實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)修改。

3 程序?qū)崿F(xiàn)

對于4個游戲者線程的實現(xiàn)，可以分別實現(xiàn)4個線程控制序列，即定義4個線程函數(shù)。由于每個線程行為是一致的，可以在創(chuàng)建線程時傳遞一個變量i的指針給線程實現(xiàn)同步。

創(chuàng)建線程語句：

Pthread_crete（&Pid［i-1］，NULL，gamer，（void *）&i）；

在屏幕上實現(xiàn)多窗口顯示效果，顯示游戲者狀態(tài)數(shù)據(jù)，程序中模擬4個游戲者輪流擲骰子MAX_NUM（最多1 000）次，線程負責(zé)生成5個隨機數(shù)（1～6）表示擲下5個骰子。用一個全局指針變量work指向每個線程的信息節(jié)點。一輪游戲結(jié)束，work指針指向頭節(jié)點，主線程則在處理一輪游戲的勝負決斷后，將work指向首節(jié)點，開始下一輪游戲。主線程程序結(jié)構(gòu)如圖3所示，游戲者線程程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 主線程程序結(jié)構(gòu)

圖4 游戲者線程程序結(jié)構(gòu)

運行這個程序需要用到curses庫和Pthread庫，編譯時使用選項-1Pthread-1curses。經(jīng)過程序運行，表明采用的同步控制方法是有效的，獲得了預(yù)期效果。表1所示為其中一組運行結(jié)果。

表1 程序運行結(jié)果

4 結(jié)論

模擬4人進行擲骰子游戲的多線程游戲程序驗證了隨機數(shù)的統(tǒng)計性能，也說明了多線程編程方法的可行性。通過多線程編程可以很好地解決并發(fā)性問題［6］。本文給出的模擬程序工作模式，對于具有多個循環(huán)控制對象的系統(tǒng)的應(yīng)用編程具有參考價值［7］，只要將相關(guān)操作語句更換成循環(huán)控制節(jié)點對象的控制（測量）操作即可，其程序采用的多線程同步方法是通用的［8］。另外，如果將此程序移植到網(wǎng)絡(luò)模式，每個線程改為與實際游戲者進行通信的程序語句方式，就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)下的游戲程序，可以把叫點過程改為接收遠程游戲者輸入的叫點數(shù)。當(dāng)然，要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模式下的游戲程序還有許多工作要做。在具有多核處理器情況下采用多線程編程將會獲得更高的運行效率。

［1］何宏宇，劉正熙，陳正茂.基于Linux的多進程MDSL研究與設(shè)計［J］.四川大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，50（1）：46-50.

［2］劉金，胡創(chuàng)，胡明，等.多線程環(huán)境下基于多預(yù)取點的文件預(yù)取［J］.計算機應(yīng)用，2012，32（6）：1713-1716，1720.

［3］高樹靜，曲英杰，宋廷強.基于單向函數(shù)的偽隨機數(shù)發(fā)生器［J］.計算機研究與發(fā)展，2015，52（6）：1394-1399.

［4］彭玉柱.基于多線程機制的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機應(yīng)用與軟件，2015，32（1）：78-81.

［5］何先波，李明東，王錦，等.Linux操作系統(tǒng)中通用雙向循環(huán)鏈表的實現(xiàn)分析［J］.西華師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，33（2）：213-217.

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APP1ication of Linux mu1ti thread Programming techno1ogy in the simu1ation Program of dice game

Shen Shiquan
（DePartment of ComPuter，Guangdong University of Science&Techno1ogy，Dongguan 523000，China）

In order to simu1ate the Probabi1ity events，according to the ru1e of dice game，themu1ti thread mechanism in the C 1anguage under Linux system，and the mu1tiP1e two va1ue semaPhore are aPP1ied to rea1ize cyc1e synchronous among mu1tiP1e threads.The Program simu1ating 4 PeoP1e dice game，which is based on mu1ti thread mode1，is designed and imP1emented.Each P1ayer's winning numbers in 1 000 rounds of the game are ca1cu1ated through simu1ating the Points of the dice with Pseudo random number.As can be seen in the game，each P1ayer has simi1ar winning Probabi1ity in most cases.The resu1ts show that using semaPhores can effective1y achieve synchronization and mutua1exc1usion among mu1tiP1e threads，and can simP1ify the Program structure.

mu1ti thread；thread synchronous；random number；dice game Program

TP311.1

A

10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.025

申時全.Linux多線程編程技術(shù)在擲骰子游戲模擬程序中的應(yīng)用［J］.微型機與應(yīng)用，2016，35（9）：85-88.

2016-01-14）

申時全（1953 -），男，本科，教授，主要研究方向：計算機應(yīng)用、軟件設(shè)計技術(shù)。