操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告生產(chǎn)者消費(fèi)者問題.

1、操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告2016年 1月 8日指導(dǎo)教師對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的評(píng)語成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日一、設(shè)計(jì)目標(biāo)l 完成N個(gè)生產(chǎn)者和M個(gè)消費(fèi)者線程之間的并發(fā)控制，N、M不低于30，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收緩沖區(qū)尺寸不小于20個(gè)（每個(gè)產(chǎn)品占據(jù)一個(gè)）。l 其中生產(chǎn)者線程1、3、5、7、9生產(chǎn)的產(chǎn)品供所有奇數(shù)編號(hào)的消費(fèi)者線程消費(fèi)，只有所有奇數(shù)編號(hào)的消費(fèi)者線程都消費(fèi)后，該產(chǎn)品才能從緩沖區(qū)中撤銷。l 其中生產(chǎn)者線程2、4、6、8、10生產(chǎn)的產(chǎn)品所有偶數(shù)編號(hào)的消費(fèi)者線程都可消費(fèi)，任一偶數(shù)編號(hào)消費(fèi)者線程消費(fèi)該消息后，該產(chǎn)品都可從緩沖區(qū)中撤銷。l 其中11-20號(hào)生產(chǎn)者線程生產(chǎn)的產(chǎn)品僅供對(duì)應(yīng)編號(hào)的消費(fèi)者線程消費(fèi)。l 其他編

2、號(hào)生產(chǎn)者線程生產(chǎn)的產(chǎn)品可由任意的消費(fèi)者線程消費(fèi)。l 每個(gè)生產(chǎn)線程生產(chǎn)30個(gè)消息后結(jié)束運(yùn)行。如果一個(gè)消費(fèi)者線程沒有對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)者線程在運(yùn)行后，也結(jié)束運(yùn)行。所有生產(chǎn)者都停止生產(chǎn)后，如果消費(fèi)者線程已經(jīng)沒有可供消費(fèi)的產(chǎn)品，則也退出運(yùn)行。二、背景知識(shí)說明原理利用進(jìn)程間共享的信號(hào)量、互斥鎖等控制線程同步。相關(guān)函數(shù)說明pthread_create()：創(chuàng)建一個(gè)線程pthread_join()：阻塞當(dāng)前的線程，直到另外一個(gè)線程運(yùn)行結(jié)束pthread_mutex_init()：初始化互斥鎖pthread_mutex_lock()：占有互斥鎖（阻塞操作）pthread_mutex_unlock()：釋放互斥鎖sem

3、_wait()：獲取信號(hào)量sem_post()：釋放信號(hào)量三、設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)環(huán)境Linux操作系統(tǒng)（ubuntu12.04）gcc 4.6c語言Posix線程庫編譯命令：gcc consumer.c -lpthread -o consumer概要設(shè)計(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)圖注釋：(1)圖：主函數(shù)流程(2)圖：生產(chǎn)者流程(3)圖：消費(fèi)者流程 （1）圖(2) 圖（3）圖重要代碼注釋：#include<stdio.h>#include<malloc.h>#include<pthread.h>#include<semaphore.h>#define BUFFER_SIZE

4、 30#define OVER (-1)struct Product int tid; int data;struct producers /定義生產(chǎn)者條件變量結(jié)構(gòu) struct Product bufferBUFFER_SIZE;/緩沖區(qū) sem_t sem_read; / 讀信號(hào)量 sem_t sem_write; / 寫信號(hào)量 pthread_mutex_t wlock; / 緩沖區(qū)寫鎖 pthread_mutex_t rlock; / 緩沖區(qū)讀鎖 pthread_mutex_t lock; / thread_count的讀寫鎖 int readpos , writepos;/讀寫位置;

5、struct producers buffer;int thread_count = 30; /存活生產(chǎn)者計(jì)數(shù)/用于在線程內(nèi)部標(biāo)識(shí)線程IDint ids30 = 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30;int count = 0; / 計(jì)數(shù)消費(fèi)產(chǎn)品數(shù)量int pcount = 0; / 計(jì)數(shù)生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量void init() /初始化相關(guān)鎖和變量以及信號(hào)量 buffer.readpos = 0; buffer.writepos = 0; /寫信號(hào)量比緩沖區(qū)小1，防止緩沖區(qū)滿

6、和緩沖區(qū)空分不清 sem_init(&buffer.sem_write, 0, BUFFER_SIZE-1); sem_init(&buffer.sem_read, 0, 0); pthread_mutex_init(&buffer.wlock, NULL); pthread_mutex_init(&buffer.rlock, NULL); pthread_mutex_init(&buffer.lock, NULL);void put(int tid, int data) /緩沖區(qū)中放入一個(gè)數(shù)據(jù) sem_wait(&buffer.sem_writ

7、e); /生產(chǎn)前先加鎖，已防止其他線程同時(shí)生產(chǎn) pthread_mutex_lock(&buffer.wlock); buffer.bufferbuffer.writepos.tid = tid; buffer.bufferbuffer.writepos.data = data; buffer.writepos +; + pcount; if( buffer.writepos >= BUFFER_SIZE ) buffer.writepos = 0; pthread_mutex_unlock(&buffer.wlock); sem_post(&buffer.sem

8、_read);/讀數(shù)據(jù)并移走struct Product * get(int tid) struct Product * produce = NULL; /消費(fèi)前先上鎖，以防止其他線程同時(shí)消費(fèi) pthread_mutex_lock(&buffer.rlock); / 如果生產(chǎn)者線程沒有全部退出，或者緩沖區(qū)內(nèi)仍有產(chǎn)品，則說明可以嘗試去獲取產(chǎn)品 if(thread_count > 0 | buffer.readpos != buffer.writepos) /從信號(hào)量的值減去一個(gè)“1”，但它永遠(yuǎn)會(huì)先等待該信號(hào)量為一個(gè)非零值才開始做減法 sem_wait( &buffer.se

9、m_read ); int pos = buffer.readpos; / 在已有產(chǎn)品中迭代，查找適合的產(chǎn)品 while(pos != buffer.writepos) int id = buffer.bufferpos.tid; if(id >10 && id <=20 && tid = id) /如果產(chǎn)品是的生產(chǎn)者線程號(hào) 10<id<=20 則可以供和它的線程號(hào)相同的消費(fèi)者線程消費(fèi) produce = (struct Product *)malloc(sizeof(struct Product); produce->tid =

10、id; produce->data = buffer.bufferpos.data; break; else if(id <= 10 && (id%2 = tid%2) /如果產(chǎn)品是的生產(chǎn)者線程號(hào) <=10 則可以供和它的線程號(hào)奇偶性相同的消費(fèi)者消費(fèi) produce = (struct Product *)malloc(sizeof(struct Product); produce->tid = id; produce->data = buffer.bufferpos.data; break; else if(id > 20) /如果產(chǎn)品是的

11、生產(chǎn)者線程號(hào)>20則可以供任何消費(fèi)者消費(fèi) produce = (struct Product *)malloc(sizeof(struct Product); produce->tid = id; produce->data = buffer.bufferpos.data; break; pos = (pos+1)%BUFFER_SIZE; if( produce ) /如果取得了產(chǎn)品，消費(fèi)計(jì)數(shù)+1，將在隊(duì)頭的元素覆蓋到被取走的位置 + count; buffer.bufferpos.tid = buffer.bufferbuffer.readpos.tid; buffer.

12、bufferpos.data = buffer.bufferbuffer.readpos.data; + buffer.readpos; if( buffer.readpos >= BUFFER_SIZE ) buffer.readpos = 0; /如果取得了產(chǎn)品則釋放一個(gè)緩沖區(qū)可寫的信號(hào)量，否則釋放一個(gè)可讀的信號(hào)量 if( produce ) sem_post(&buffer.sem_write); else sem_post(&buffer.sem_read); pthread_mutex_unlock(&buffer.rlock); else pthrea

13、d_mutex_unlock(&buffer.rlock); return produce;void *producer(void *data) /每個(gè)線程循環(huán)生產(chǎn)30個(gè)產(chǎn)品 int tid = *(int *)data); int n; for(n = 1; n <= 30; n+) printf("producer %d product %d n", tid, n); put(tid, n); / 每退出一個(gè)生產(chǎn)者線程后，thread_count 減1 pthread_mutex_lock(&buffer.lock); - thread_count

14、; pthread_mutex_unlock(&buffer.lock); return NULL;void *consumer(void * data) int tid = *(int *)data); struct Product *d = NULL; while(1) d = get(tid); if( d ) printf("consumer %d consum %d from Producer %d n", tid, d->data,d->tid); free(d); pthread_mutex_lock(&buffer.lock);

15、/ 當(dāng)所有生產(chǎn)者線程已退出，且緩沖區(qū)內(nèi)已沒有該線程可消費(fèi)的產(chǎn)品時(shí)，退出該線程 if(d = NULL && thread_count = 0 ) pthread_mutex_unlock(&buffer.lock); break; else pthread_mutex_unlock(&buffer.lock); return NULL;int main(void) pthread_t th_a30, th_b30; void *retval; init(&buffer); int i; for(i = 0; i<30; +i) / 創(chuàng)建生產(chǎn)者和消費(fèi)

16、者 pthread_create(&th_ai, NULL, producer, &idsi); pthread_create(&th_bi, NULL, consumer, &idsi); for(i = 0; i<30; +i) / 將線程加入到主線程組 pthread_join(th_ai, &retval); pthread_join(th_bi, &retval); printf("product %d productsn", pcount); printf("consume %d productsn

17、", count); return 0;四、測試測試數(shù)據(jù)文件格式測試數(shù)據(jù)由程序內(nèi)部生成運(yùn)行結(jié)果分析運(yùn)行 ./consumer cat > output.txt 將輸出結(jié)果保存在output.txt中待分析。cat output.txt | grep producer 2 由上圖可知，生產(chǎn)者2 順利完成了生產(chǎn)工作。運(yùn)行 cat output.txt | grep from Producer 5結(jié)果如下圖：可知生產(chǎn)者5 生產(chǎn)的產(chǎn)品全部被奇數(shù)消費(fèi)者線程消費(fèi)運(yùn)行 cat output.txt | grep from Producer 6可知生產(chǎn)者6 生產(chǎn)的產(chǎn)品全部被偶數(shù)消費(fèi)者線程消費(fèi)。運(yùn)行： cat output.txt | grep from Producer 13由圖可知，所有13號(hào)生產(chǎn)這線程生產(chǎn)的產(chǎn)品都被相應(yīng)的線程消費(fèi)。運(yùn)行：cat output.txt | grep from Producer 23由圖可知，所有23號(hào)生產(chǎn)者生產(chǎn)的產(chǎn)品可以被任意消費(fèi)者消費(fèi)。由上圖可知，總計(jì)生產(chǎn)了900個(gè)產(chǎn)品，共消費(fèi)900個(gè)產(chǎn)品，五、總結(jié)生產(chǎn)者消費(fèi)者問題，也稱有限緩沖問題，是一個(gè)多線程同步問題的經(jīng)典案例。該問題描述了兩個(gè)共享固定大小緩沖區(qū)的線程即所謂的“生產(chǎn)者”和“消費(fèi)者”在實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生的問題。生產(chǎn)者的主要作用是生