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?zāi)康暮鸵竽M實現(xiàn)用同步機構(gòu)避免發(fā)生進程執(zhí)行時可能出現(xiàn)的與時間有關(guān)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(guān)”的錯誤，即進程執(zhí)行后所得到的結(jié)果與訪問公共變量的時間有關(guān)。為了防止這類錯誤，系統(tǒng)必須要用同步機構(gòu)來控制進程對公共變量的訪問。 一般說， 同步機構(gòu)是由若干條原語一一同步原語一一所組成。本實習要求學生模擬PV操作同步機構(gòu)的實現(xiàn)，模擬進程的并

2、發(fā)執(zhí)行，了解進程并發(fā)執(zhí)行時同步機構(gòu)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、實驗步驟模才KPV操作同步機構(gòu)，且用pv操作解決生產(chǎn)者一一消費者問題。提示:(1) PV操作同步機構(gòu)，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(jié)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(jié)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

3、W (s)end pprocedure v (var s: semaphore);egin s: = s+1;if s 0 then R (s)end v其中W (s)表示將調(diào)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(yīng)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)者一一消費者問題。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(nèi)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(nèi)，禁

4、止消費者從空緩沖器內(nèi)以產(chǎn)品。 假定緩沖器內(nèi)可同時存放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;cobeginprocedure producer;c: products;beginL1:Produce (c);P (s1);BIN: =C;IN: =(IN+1)mod 10;V (s2);goto L1 end; procedure consumer; x:

5、products;beginL2: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PCBo在模擬實習中，假設(shè)進程控制塊的結(jié)構(gòu)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

6、等 待態(tài)時，在進程控制塊 PCB中要說明進程等待原因(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(jié)束。(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(shè)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(zhuǎn)向由入口地址確定的 相應(yīng)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putBIN: =product;IN: = (IN+1) mod 10GETx: =Bout; out: =(out+1) mod 10produce輸入一個字符放入 C中c

8、onsume打印或顯示x中的字符GOTO LPC: =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 (s 1)GET2PUTv (si)3v (s 2)consume4goto 0goto 0圖3-3生產(chǎn)者和消費者程序(5)程序設(shè)計本實習中的程序由三部分組成：初始化程序、處理器調(diào)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(guān)系由圖3-4至圖3-7指出。初始化信號量氣，回生產(chǎn)者和清苗青遁卷 的PCB中糧春為就蠟, 斷點*。格現(xiàn)行進程立為生產(chǎn) taa. pc虻理腓調(diào)度程序圖3-4初始化流程圖3-5 模擬處理器調(diào)度初始化程序:模擬實習的

9、程序從初始化程序入口啟動， 初始化工作包括對信號量si、s2賦初值，對生產(chǎn)者、消費者進程的PCB初始化。初始化后轉(zhuǎn)向處理 調(diào)度程序，其流程如圖3-4處理器調(diào)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(diào)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(diào)度程序流程見圖3-5 。圖3-6模擬處理器指令執(zhí)行箱調(diào)用過程 的迸程置為等待 信號量S的狀態(tài)將調(diào)用FT)的 進程疑為就緒態(tài) I 一一 _ _將一個等待$信號量 的

10、進程置為就緒盛1*-將調(diào)用V O的進程置物就緒態(tài)(a)模寸P P (s)(b)模寸V V (s)圖3-7 模才P 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，為了使得模擬程序有一個結(jié)束條件，在圖 3-6中附加了 “生產(chǎn)者運行結(jié)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

11、NULL 0struct spcbchar 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;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(

12、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 please 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;

13、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);arrayout=;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

14、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;/*對消費者進程初始化 */consumer.state=W;consumer.why=;pa中*/sa中 */consumer.dd=0;for(int k=0;k10;k+)(arrayk=;)void bornpa() /*將生產(chǎn)者程序裝入(for(i=0;i=3;i+)(pai=i;)void born

15、sa()/*將消費者程序裝入(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=W1)/*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;bre