C語言編程模擬生產(chǎn)者和消費者問題(附代碼程序)

1、.實驗三 編程模擬生產(chǎn)者和消費者問題一、實驗目的和要求模擬實現(xiàn)用同步機構避免發(fā)生進程執(zhí)行時可能出現(xiàn)的與時間有關的錯誤。進程是程序在一個數(shù)據(jù)集合上運行的過程，進程是并發(fā)執(zhí)行的，也即系統(tǒng)中的多個進程輪流地占用處理器運行。我們把若干個進程都能進行訪問和修改的那些變量稱為公共變量。由于進程是并發(fā)地執(zhí)行的，所以，如果對進程訪問公共變量不加限制，那么就會產(chǎn)生“與時間有關”的錯誤，即進程執(zhí)行后所得到的結果與訪問公共變量的時間有關。為了防止這類錯誤，系統(tǒng)必須要用同步機構來控制進程對公共變量的訪問。一般說，同步機構是由若干條原語同步原語所組成。本實習要求學生模擬PV操作同步機構的實現(xiàn)，模擬進程的并發(fā)執(zhí)行，了解進

2、程并發(fā)執(zhí)行時同步機構的作用。二、實驗環(huán)境Windows操作系統(tǒng)和Visual C+6.0專業(yè)版或企業(yè)版三、實驗步驟模擬PV操作同步機構，且用PV操作解決生產(chǎn)者消費者問題。提示：(1) PV操作同步機構，由P操作原語和V操作原語組成，它們的定義如下：P操作原語P (s)：將信號量s減去1，若結果小于0，則執(zhí)行原語的進程被置成等待信號量s的狀態(tài)。V操作原語V (s)：將信號量s加1，若結果不大于0，則釋放一個等待信號量s的進程。這兩條原語是如下的兩個過程：procedure p (var s: semaphore);begin s: = s-1; if s0 then W (s)end pproc

3、edure v (var s: semaphore);egin s: = s+1; if s0 then R (s)end v其中W（s）表示將調用過程的進程置為等待信號量s的狀態(tài)；R（s）表示釋放一個等待信號量s的進程。在系統(tǒng)初始化時應把semaphore定義為某個類型，為簡單起見，在模擬實習中可把上述的semaphore直接改成integer。(2) 生產(chǎn)者消費者問題。假定有一個生產(chǎn)者和一個消費者，生產(chǎn)者每次生產(chǎn)一件產(chǎn)品，并把生產(chǎn)的產(chǎn)品存入共享緩沖器以供消費者取走使用。消費者每次從緩沖器內取出一件產(chǎn)品去消費。禁止生產(chǎn)者將產(chǎn)品放入已滿的緩沖器內，禁止消費者從空緩沖器內以產(chǎn)品。假定緩沖器內可同

4、時存放10件產(chǎn)品。那么，用PV操作來實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者之間的同步，生產(chǎn)者和消費者兩個進程的程序如下：B: array 0.9 of products;s1, s2; semaphore;s1: =10, s2: =0;IN, out: integer;IN: =0; out: =0;cobegin procedure producer; c: products; beginL1: Produce (c); P (s1); BIN: =C; IN: =(IN+1)mod 10; V (s2); goto L1 end; procedure consumer; x: products; begin

5、 L2: p (s2); x: =Bout; out: =(out+1) mod10; v (s1); consume (x); goto L2 end;coend.其中的semaphore和products是預先定義的兩個類型，在模擬實現(xiàn)中semaphore用integer代替，products可用integer或char等代替。(3) 進程控制塊PCB。為了記錄進程執(zhí)行時的情況，以及進程讓出處理器后的狀態(tài)，斷點等信息，每個進程都有一個進程控制塊PCB。在模擬實習中，假設進程控制塊的結構如圖3-1。其中進程的狀態(tài)有：運行態(tài)、就緒態(tài)、等待態(tài)和完成態(tài)。當進程處于等待態(tài)時，在進程控制塊PCB中要說

6、明進程等待原因（在模擬實習中進程等待原因是為等待信號量s1或s2）；當進程處于等待態(tài)或就緒態(tài)時，PCB中保留了斷點信息，一旦進程再度占有處理器則就從斷點位置繼續(xù)運行；當進程處于完成狀態(tài)，表示進程執(zhí)行結束。進程名狀態(tài)等待原因斷點圖3-1 進程控制塊結構(4) 處理器的模擬。計算機硬件提供了一組機器指令，處理器的主要職責是解釋執(zhí)行機器指令。為了模擬生產(chǎn)者和消費者進程的并發(fā)執(zhí)行，我們必須模擬一組指令和處理職能。模擬的一組指令見圖3-2，其中每條指令的功能由一個過程來實現(xiàn)。用變量PC來模擬“指令計數(shù)器”，假設模擬的指令長度為1，每執(zhí)行一條模擬指令后，PC加1，提出下一條指令地址。使用模擬的指令，可把生

7、產(chǎn)者和消費者進程的程序表示為圖3-3的形式。定義兩個一維數(shù)組PA0.4和SA0.4，每一個PAi存放生產(chǎn)者程序中的一條模擬指令執(zhí)行的入口地址；每個SAi存放消費者程序中的一條模擬指令執(zhí)行的入口地址。于是模擬處理器執(zhí)行一條指令的過程為：取出PC之值，按PAPC或SAPC得模擬指令執(zhí)行的入口地址，將PC之值加1，轉向由入口地址確定的相應的過程執(zhí)行。模擬的指令功 能p (s) 執(zhí)行P操作原語v (s) 執(zhí)行V操作原語put BIN: =product; IN: = (IN+1) mod 10GET x: =Bout; out: =(out+1) mod 10produce 輸入一個字符放入C中con

8、sume 打印或顯示x中的字符GOTO L PC: =LNOP 空操作圖3-2 模擬的處理器指令序號生產(chǎn)者程序消費者程序0producep (s2)1p (s1)GET2PUTv (s1)3v (s2)consume4goto 0goto 0圖3-3 生產(chǎn)者和消費者程序(5) 程序設計本實習中的程序由三部分組成：初始化程序、處理器調度程序、模擬處理器指令執(zhí)行程序。各部分程序的功能及相互間的關系由圖3-4至圖3-7指出。圖3-4 初始化流程圖3-5 模擬處理器調度初始化程序：模擬實習的程序從初始化程序入口啟動，初始化工作包括對信號量s1、s2賦初值，對生產(chǎn)者、消費者進程的PCB初始化。初始化后轉

9、向處理調度程序，其流程如圖3-4。處理器調度程序：在計算機系統(tǒng)中，進程并發(fā)執(zhí)行時，任一進程占用處理器執(zhí)行完一條指令后就有可能被打斷而讓出處理器由其它進程運行。故在模擬系統(tǒng)中也類似處理，每當執(zhí)行一條模擬的指令后，保護當前進程的現(xiàn)場，讓它成為非運行態(tài)，由處理器調度程序按隨機數(shù)再選擇一個就緒進程占用處理器運行。處理器調度程序流程見圖3-5。圖3-6 模擬處理器指令執(zhí)行 (a) 模擬P (s) (b) 模擬V (s)圖3-7 模擬PV操作的執(zhí)行模擬處理器指令執(zhí)行程序：按“指令計數(shù)器”PC之值執(zhí)行指定的指令，且PC加1指向下一條指令。模擬處理器指令執(zhí)行程序的流程圖見圖3-6和圖3-7。另外，為了使得模擬

10、程序有一個結束條件，在圖3-6中附加了“生產(chǎn)者運行結束”的條件判斷，模擬時可以采用人工選擇的方法實現(xiàn)。圖3-7給出了P（s）和V（s）模擬指令執(zhí)行過程的流程。其它模擬指令的執(zhí)行過程已在圖3-2中指出。附錄：代碼#include #include #include #include #define NULL 0struct spcb char name; char state; char why; int dd ;typedef struct spcb pcb;pcb producter,consumer,*process,*process1;int s1,s2,i,j,in,out,pc,m;

11、char array10;char c,x;int pa6,sa6;int p(int s) /* p操作原語 */s=s-1;if(sstate=B; /* B表示阻塞*/process-why=s;elseprocess-state=W; /* W表示就緒*/return(s);int v(int s) /*v操作原語*/s=s+1;if(sstate=W;process-state=W;return(s);char RanChar()char arr10=a,b,c,d,e,f,g,h,i,j;return arrabs(rand()%10);void put()/printf(n pl

12、ease product anychar!);/scanf(n%c,&c);Sleep(1000);arrayin=RanChar();in=(in+1)%10;printf( product a char is %c!n ,arrayin-1);int k = 0; for(m=0;m10;m+)if (arraym!= ) printf(%c,arraym);k = k+1; printf(緩沖池中有%d個產(chǎn)品n,k);void get()Sleep(1000);x=arrayout; printf(n%c get a char fron buffer,x);printf(n); arra

13、yout= ;out=(out+1)%10; int k = 0; for(m=0;mname); printf(|%ct,process-state); printf(|%ct,process-why); printf(|%dt,process-dd);printf(n); void init()/*初始化程序*/s1=10;/*s1表示空緩沖區(qū)的數(shù)量*/s2=0; /*s2表示滿緩沖區(qū)的數(shù)量*/=p;/*對生產(chǎn)者進程初始化*/producter.state=W;producter.why= ;producter.dd=0;=c;/*對消

14、費者進程初始化*/consumer.state=W;consumer.why= ;consumer.dd=0;for(int k=0;k10;k+)arrayk = ;void bornpa() /*將生產(chǎn)者程序裝入pa中*/for(i=0;i=3;i+) pai=i;void bornsa()/*將消費者程序裝入sa中*/for(i=0;idd;i=pc;/*此時把PC的值付給I*/if(process-name=p)&(process-state=W)j=pai;pc=i+1;switch(j)case 0: s1=p(s1);process-dd=pc;break;case 1: put();process-state=W;process-dd=pc;break;case 2: s2=v(s2);process-dd=pc;break;case 3: gotol();process-state=W;process-dd=pc;else if(process-name=c)&(process-state=W)/*執(zhí)行消費者進程且該進程處于就緒狀態(tài)*/process-state=W;j=sai;pc=i+1;switch(j)case 0: s2=p(s2);process-dd=pc;break;/*申