C語(yǔ)言編程模擬生產(chǎn)者和消費(fèi)者問(wèn)題附代碼程序

1、實(shí)驗(yàn)三 編程模擬生產(chǎn)者和消費(fèi)者問(wèn)題一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵竽M實(shí)現(xiàn)用同步機(jī)構(gòu)避免發(fā)生進(jìn)程執(zhí)行時(shí)可能出現(xiàn)的與時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)誤。進(jìn)程是程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上運(yùn)行的過(guò)程，進(jìn)程是并發(fā)執(zhí)行的，也即系統(tǒng)中的多個(gè)進(jìn)程輪流地占用處理器運(yùn)行。我們把若干個(gè)進(jìn)程都能進(jìn)行訪問(wèn)和修改的那些變量稱為公共變量。由于進(jìn)程是并發(fā)地執(zhí)行的，所以，如果對(duì)進(jìn)程訪問(wèn)公共變量不加限制，那么就會(huì)產(chǎn)生“與時(shí)間有關(guān)”的錯(cuò)誤，即進(jìn)程執(zhí)行后所得到的結(jié)果與訪問(wèn)公共變量的時(shí)間有關(guān)。為了防止這類錯(cuò)誤，系統(tǒng)必須要用同步機(jī)構(gòu)來(lái)控制進(jìn)程對(duì)公共變量的訪問(wèn)。一般說(shuō)，同步機(jī)構(gòu)是由若干條原語(yǔ)同步原語(yǔ)所組成。本實(shí)習(xí)要求學(xué)生模擬PV操作同步機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，模擬進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行，了解進(jìn)程

2、并發(fā)執(zhí)行時(shí)同步機(jī)構(gòu)的作用。二、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)步驟模擬PV操作同步機(jī)構(gòu)，且用PV操作解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題。提示：(1) PV操作同步機(jī)構(gòu)，由P操作原語(yǔ)和V操作原語(yǔ)組成，它們的定義如下：P操作原語(yǔ)P (s)：將信號(hào)量s減去1，若結(jié)果小于0，則執(zhí)行原語(yǔ)的進(jìn)程被置成等待信號(hào)量s的狀態(tài)。V操作原語(yǔ)V (s)：將信號(hào)量s加1，若結(jié)果不大于0，則釋放一個(gè)等待信號(hào)量s的進(jìn)程。這兩條原語(yǔ)是如下的兩個(gè)過(guò)程：procedure p (var s: semaphore);begin s: = s-1; if s<0 then W (s)end pp

3、rocedure 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(guò)程的進(jìn)程置為等待信號(hào)量s的狀態(tài)；R（s）表示釋放一個(gè)等待信號(hào)量s的進(jìn)程。在系統(tǒng)初始化時(shí)應(yīng)把semaphore定義為某個(gè)類型，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在模擬實(shí)習(xí)中可把上述的semaphore直接改成integer。(2) 生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題。假定有一個(gè)生產(chǎn)者和一個(gè)消費(fèi)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(fèi)者取走使用。消費(fèi)者每次從緩沖器內(nèi)取出一件產(chǎn)品去消費(fèi)。禁止生產(chǎn)者將產(chǎn)品放入已滿的緩沖器內(nèi)，禁止消費(fèi)者從空緩沖器內(nèi)以產(chǎn)品

4、。假定緩沖器內(nèi)可同時(shí)存放10件產(chǎn)品。那么，用PV操作來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的同步，生產(chǎn)者和消費(fèi)者兩個(gè)進(jìn)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: produc

5、ts; begin 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(yù)先定義的兩個(gè)類型，在模擬實(shí)現(xiàn)中semaphore用integer代替，products可用integer或char等代替。(3) 進(jìn)程控制塊PCB。為了記錄進(jìn)程執(zhí)行時(shí)的情況，以及進(jìn)程讓出處理器后的狀態(tài)，斷點(diǎn)等信息，每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)進(jìn)程控制塊PCB。在模擬實(shí)習(xí)中，假設(shè)進(jìn)程控制塊的結(jié)構(gòu)如圖3-1。其中進(jìn)程的狀態(tài)有：運(yùn)行態(tài)、就緒態(tài)、等待態(tài)和完成態(tài)。當(dāng)進(jìn)程處于等待態(tài)時(shí)，在進(jìn)程

6、控制塊PCB中要說(shuō)明進(jìn)程等待原因（在模擬實(shí)習(xí)中進(jìn)程等待原因是為等待信號(hào)量s1或s2）；當(dāng)進(jìn)程處于等待態(tài)或就緒態(tài)時(shí)，PCB中保留了斷點(diǎn)信息，一旦進(jìn)程再度占有處理器則就從斷點(diǎn)位置繼續(xù)運(yùn)行；當(dāng)進(jìn)程處于完成狀態(tài)，表示進(jìn)程執(zhí)行結(jié)束。進(jìn)程名狀態(tài)等待原因斷點(diǎn)圖3-1 進(jìn)程控制塊結(jié)構(gòu)(4) 處理器的模擬。計(jì)算機(jī)硬件提供了一組機(jī)器指令，處理器的主要職責(zé)是解釋執(zhí)行機(jī)器指令。為了模擬生產(chǎn)者和消費(fèi)者進(jìn)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(jiàn)圖3-2，其中每條指令的功能由一個(gè)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。用變量PC來(lái)模擬“指令計(jì)數(shù)器”，假設(shè)模擬的指令長(zhǎng)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

7、模擬的指令，可把生產(chǎn)者和消費(fèi)者進(jìn)程的程序表示為圖3-3的形式。定義兩個(gè)一維數(shù)組PA0.4和SA0.4，每一個(gè)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(gè)SAi存放消費(fèi)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(guò)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(guò)程執(zhí)行。模擬的指令功 能p (s) 執(zhí)行P操作原語(yǔ)v (s) 執(zhí)行V操作原語(yǔ)put BIN: =product; IN: = (IN+1) mod 10GET x: =Bout; out: =(out+1) mod 10produce 輸入一個(gè)

8、字符放入C中consume 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(hào)生產(chǎn)者程序消費(fèi)者程序0producep (s2)1p (s1)GET2PUTv (s1)3v (s2)consume4goto 0goto 0圖3-3 生產(chǎn)者和消費(fèi)者程序(5) 程序設(shè)計(jì)本實(shí)習(xí)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。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(shí)習(xí)的程序從初始化程序入口啟動(dòng)，初始化工作包括對(duì)信號(hào)量s1、s2賦初值，對(duì)生產(chǎn)者、消費(fèi)者

9、進(jìn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行時(shí)，任一進(jìn)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(jìn)程運(yùn)行。故在模擬系統(tǒng)中也類似處理，每當(dāng)執(zhí)行一條模擬的指令后，保護(hù)當(dāng)前進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)，讓它成為非運(yùn)行態(tài)，由處理器調(diào)度程序按隨機(jī)數(shù)再選擇一個(gè)就緒進(jìn)程占用處理器運(yùn)行。處理器調(diào)度程序流程見(jiàn)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(jì)數(shù)器”P(pán)C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)

10、行程序的流程圖見(jiàn)圖3-6和圖3-7。另外，為了使得模擬程序有一個(gè)結(jié)束條件，在圖3-6中附加了“生產(chǎn)者運(yùn)行結(jié)束”的條件判斷，模擬時(shí)可以采用人工選擇的方法實(shí)現(xiàn)。圖3-7給出了P（s）和V（s）模擬指令執(zhí)行過(guò)程的流程。其它模擬指令的執(zhí)行過(guò)程已在圖3-2中指出。附錄：代碼#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <conio.h>#include <windows.h>#define NULL 0struct spcb char name; char state; char why; int dd ;ty

11、pedef 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(yǔ) */s=s-1;if(s<0)process->state='B' /* B表示阻塞*/process->why='s'elseprocess->state='W' /* W表示就緒*/return(s);int v(int s) /*

12、v操作原語(yǔ)*/s=s+1;if(s<=0)process1->state='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 produ

13、ct 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;m<10;m+)if (arraym!=' ') printf("%c",arraym);k = k+1; printf("緩沖池中有%d個(gè)產(chǎn)品n",k);void get()Sleep(1000);x=

14、arrayout; printf("n%c get a char fron buffer",x);printf("n"); arrayout=' 'out=(out+1)%10; int k = 0; for(m=0;m<10;m+)if (arraym!=' ') printf("%c",arraym);k = k+1; printf("緩沖池中有%d個(gè)產(chǎn)品n",k);void gotol()pc=0;void nop();void disp() /*建立進(jìn)程顯示函數(shù),用于顯

15、示當(dāng)前進(jìn)程*/ printf("n name t state t why t dd n"); printf("|%ct",process->name); 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

16、表示滿緩沖區(qū)的數(shù)量*/='p'/*對(duì)生產(chǎn)者進(jìn)程初始化*/producter.state='W'producter.why=' 'producter.dd=0;='c'/*對(duì)消費(fèi)者進(jìn)程初始化*/consumer.state='W'consumer.why=' 'consumer.dd=0;for(int k=0;k<10;k+)arrayk = ' 'void bornpa() /*將生產(chǎn)者程序裝入pa中*/for(i=0;i

17、<=3;i+) pai=i;void bornsa()/*將消費(fèi)者程序裝入sa中*/for(i=0;i<=3;i+)sai=i;void diaodu()/*處理器調(diào)度程序*/while(producter.state='W')|(consumer.state='W')x=rand();/*x隨機(jī)獲得一個(gè)數(shù)*/x=x%2;/*對(duì)X取于*/if(x=0)/*若X等于零，則執(zhí)行生產(chǎn)者進(jìn)程，反之執(zhí)行消費(fèi)者進(jìn)程*/process=&producter;/*process表示現(xiàn)行進(jìn)程，將現(xiàn)行進(jìn)程置為生產(chǎn)者進(jìn)程*/process1=&consum

18、er;elseprocess=&consumer;process1=&producter;pc=process->dd;i=pc;/*此時(shí)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(fèi)者進(jìn)程且該進(jìn)程處于就緒狀態(tài)*/process->state='W'j=sai;pc=i+1;switch(j)case 0: s2=p(s2)