進(jìn)程之間的同步互斥與通信理發(fā)師問題操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、 操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)目 錄1. 課程設(shè)計(jì)目的32. 設(shè)計(jì)要求33. 問題具體描述34. 設(shè)計(jì)分析35. 設(shè)計(jì)分工46. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明47. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明48. 系統(tǒng)調(diào)用說明49. 分工設(shè)計(jì)說明510. 算法流程圖511. 分工代碼612. 整體代碼713. 程序運(yùn)行1014. 總結(jié)111. 課程設(shè)計(jì)目的1.內(nèi)容圍繞操作系統(tǒng)原理中最重要的基本概念和基本原理展開2.鞏固對(duì)原理知識(shí)的學(xué)習(xí)效果3.加深對(duì)基本概念的理解4.學(xué)習(xí)如何將基本原理和實(shí)際設(shè)計(jì)、應(yīng)用有機(jī)結(jié)合5.鍛煉本專業(yè)的基本能力2. 設(shè)計(jì)要求1： 進(jìn)程間通信、并發(fā)(同步/互斥)、文件讀寫2： 內(nèi)存管理、Dll、Windows消息機(jī)制、IO （尚未

2、最終定型）3. 問題具體描述1.完成N個(gè)生產(chǎn)者和M個(gè)消費(fèi)者之間的并發(fā)控制，N、M不低于5，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收緩沖區(qū) 大小不小于10個(gè)。2.某個(gè)生產(chǎn)者進(jìn)程生產(chǎn)的消息供K個(gè)消費(fèi)者進(jìn)程消費(fèi)。K=M。某些消費(fèi)進(jìn)程消費(fèi)多個(gè)生產(chǎn)者生產(chǎn)的消息。生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以在程序開始有一個(gè)文件中讀入，也可以動(dòng)態(tài)調(diào)整。3.每個(gè)生產(chǎn)進(jìn)程生產(chǎn)M個(gè)消息后結(jié)束運(yùn)行。如果一個(gè)消費(fèi)者進(jìn)程沒有對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)者進(jìn)程在運(yùn)行后，也結(jié)束運(yùn)行。4. 設(shè)計(jì)分析課程設(shè)計(jì)的主要目的是了解并且掌握進(jìn)程之間的同步互斥，和進(jìn)程之間的通信問題。結(jié)合課本上的生產(chǎn)者與消費(fèi)者問題可以從這方面來實(shí)現(xiàn)一個(gè)多進(jìn)程的小系統(tǒng)，并且解決多個(gè)進(jìn)程之間的通信，并發(fā)等問題，以

3、此來達(dá)到課程設(shè)計(jì)的目的。理發(fā)師問題是將顧客看做生產(chǎn)者，將理發(fā)師作為消費(fèi)者。設(shè)置一定數(shù)量的椅子的數(shù)目來作為緩存區(qū)的大小。顧客來到的時(shí)候坐在椅子上，將自己作為“產(chǎn)品”，理發(fā)師理發(fā)的時(shí)候從椅子上叫走顧客，相當(dāng)于消費(fèi)“產(chǎn)品”，從而達(dá)到了課程設(shè)計(jì)要求的前一個(gè)要求。顧客作為生產(chǎn)者，每到來一個(gè)就使計(jì)數(shù)器count增加1，以便讓理發(fā)師理發(fā)（相當(dāng)于消費(fèi)）至最后一個(gè)顧客（相當(dāng)于產(chǎn)品）。并且，第1個(gè)到來的顧客應(yīng)負(fù)責(zé)喚醒理發(fā)師；如果不是第1個(gè)到達(dá)的顧客，則在有空椅子的情況下坐下等待，否則離開理發(fā)店（該消息可由計(jì)數(shù)器count獲得）。主要有以下一些函數(shù)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)問題的實(shí)現(xiàn)過程：（1） 用隨機(jī)函數(shù)random()來產(chǎn)生進(jìn)

4、入理發(fā)店的顧客。（2）定義理發(fā)師的理發(fā)函數(shù)cuthair()用來實(shí)現(xiàn)理發(fā)操作。（3）定義顧客被理發(fā)的函數(shù)gethaircut()用來實(shí)現(xiàn)顧客被理發(fā)的操作。（4）用顧客線程customer實(shí)現(xiàn)對(duì)顧客行為的控制。（5）用理發(fā)師線程barber實(shí)現(xiàn)對(duì)理發(fā)師行為的控制。（6）定義主函數(shù)main實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)線程的控制和執(zhí)行操作。5. 設(shè)計(jì)分工成員：李寧 侯紹立分工：理發(fā)師進(jìn)程、信號(hào)量的設(shè)置、理發(fā)師函數(shù) ：xxx顧客進(jìn)程、顧客函數(shù)、主函數(shù)：xx6. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明本程序用到了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的隊(duì)列，理發(fā)的顧客由隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生，顧客遵從先到先理發(fā)的原則，但隊(duì)列的長度限制為輸入的理發(fā)店中的椅子的個(gè)數(shù)，當(dāng)理發(fā)店的椅子沒有空

5、位的時(shí)候，到來的顧客主動(dòng)退出加入隊(duì)列。理發(fā)師對(duì)隊(duì)列中的顧客進(jìn)行先到先服務(wù)的原則理發(fā)。7. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明（一）頭文件聲明#include "windows.h"#include "iostream.h"#include "math.h"（二）定義各種變量int long waiting(0); int chairs; char open_door; char close_door; int count(0); int finish(0); （三）信號(hào)量的定義HANDLE Mutex =:CreateMutex(NULL, FALSE,

6、"Mutex"); HANDLE barbers =:CreateSemaphore(NULL, 1,1, "barbers"); HANDLE customers =:CreateSemaphore(NULL,0,3,"customers");8. 系統(tǒng)調(diào)用說明（1）CreateThread（）：創(chuàng)建線程（2）CreateMutex（）：找出當(dāng)前系統(tǒng)是否已經(jīng)存在指定進(jìn)程的實(shí)例。如果沒有則創(chuàng)建一個(gè)互斥體，用來同步。如果一個(gè)線程獲取了互斥體，則要獲取該互斥體的第二個(gè)線程將被掛起，直到第一個(gè)線程釋放該互斥體。CreateMutex（）函數(shù)

7、可用來創(chuàng)建一個(gè)有名或無名的互斥量對(duì)象（3）CreateSemaphore()：CreateSemaphore() 是系統(tǒng)提供的API，包含在Windows.h 中，應(yīng)用在同步的處理中。作用是創(chuàng)建一個(gè)新的信號(hào)機(jī)，執(zhí)行成功，返回信號(hào)機(jī)對(duì)象的句柄；零表示出錯(cuò)。一旦不再需要，一定記住用CloseHandle關(guān)閉信號(hào)機(jī)的句柄。它的所有句柄都關(guān)閉以后，對(duì)象自己也會(huì)刪除。一旦值大于零，信號(hào)機(jī)就會(huì)觸發(fā)（發(fā)出信號(hào)）。Semaphore是一個(gè)同步問題機(jī)制，不論是Event或Mutex，其他Process在執(zhí)WaitForSingleObject時(shí)，就看當(dāng)時(shí)的物件是Signal或UnSignal而決定是否等待，而S

8、emaphore也相同，但是它要變成Signal /UnSignal的狀態(tài)，卻有些不同，它是提供一個(gè)計(jì)數(shù)值，它允許在這個(gè)計(jì)數(shù)值之內(nèi)，任何執(zhí)行到WaitForSingleObject的Thread都不會(huì)停下來，而且每執(zhí)行WaitForSingleObject一次，計(jì)數(shù)值就減一，當(dāng)計(jì)數(shù)值變成0時(shí)，該Semaphore才會(huì)處於UnSignal的狀態(tài)，而某個(gè)Thread ReleaseSemaphore時(shí)，便會(huì)將計(jì)數(shù)值增加，以便其他的Thread或本身可得Signal的訊號(hào)，而使WaitForSingleObject停止等待。 （4）ReleaseSemaphore（）：ReleaseSemaphor

9、e（）函數(shù)的作用是增加信號(hào)機(jī)的計(jì)數(shù)。如果成功，就調(diào)用信號(hào)機(jī)上的一個(gè)等待函數(shù)來減少它的計(jì)數(shù)。（5）WaitForSingleObject（）：函數(shù)用來檢測(cè)hHandle事件的信號(hào)狀態(tài)，在某一線程中調(diào)用該函數(shù)時(shí)，線程暫時(shí)掛起，如果在掛起的dwMilliseconds毫秒內(nèi)，線程所等待的對(duì)象變?yōu)橛行盘?hào)狀態(tài)，則該函數(shù)立即返回；如果超時(shí)時(shí)間已經(jīng)到達(dá)dwMilliseconds毫秒，但hHandle所指向的對(duì)象還沒有變成有信號(hào)狀態(tài)，函數(shù)照樣返回。參數(shù)dwMilliseconds有兩個(gè)具有特殊意義的值：0和INFINITE。若為0，則該函數(shù)立即返回；若為INFINITE，則線程一直被掛起，直到hHandle

10、所指向的對(duì)象變?yōu)橛行盘?hào)狀態(tài)時(shí)為止。（6）ResumeThread（）:線程恢復(fù)函數(shù)，使用該函數(shù)能激活線程的運(yùn)行，使CPU分配資源讓線程恢復(fù)運(yùn)行。（7）ReleaseMutex（）：釋放由線程擁有的一個(gè)互斥體（8）Sleep（）：睡眠等待9. 分工設(shè)計(jì)說明需要用到的信號(hào)量：HANDLE Mutex =:CreateMutex(NULL, FALSE, "Mutex"); 實(shí)現(xiàn)顧客與理發(fā)師對(duì)公用緩存區(qū)的互斥操作HANDLE barbers =:CreateSemaphore(NULL, 1,1, "barbers"); HANDLE customers =:

11、CreateSemaphore(NULL,0,3,"customers");:WaitForSingleObject(customers,INFINITE); 等待顧客進(jìn)程的V(customer)操作:WaitForSingleObject(Mutex,INFINITE); 申請(qǐng)操作顧客與理發(fā)師公用的緩存區(qū) :ReleaseSemaphore(barbers,1,NULL); 釋放信號(hào)量barbers:ReleaseMutex(Mutex); 釋放信號(hào)量Mutex，允許顧客操作緩存區(qū)10. 算法流程圖程序開始鍵入店中的椅子數(shù)是否開始接待顧客 尚未營業(yè)Mutex理發(fā)師線程Tr

12、ue顧客線程False椅等待是離開有顧客等待休息否理發(fā)師在睡覺則喚醒理發(fā)，否則繼續(xù)是11. 分工代碼#include "windows.h"#include "iostream.h"#include "math.h"int long waiting(0); /等待理發(fā)的顧客人數(shù)int chairs; /店中椅子的總數(shù)目char open_door; /開門char close_door; /關(guān)門int count(0); /顧客的序號(hào)int finish(0); /已經(jīng)理完發(fā)的顧客人數(shù)DWORD a;HANDLE Mutex =:Cr

13、eateMutex(NULL, FALSE, "Mutex"); /用來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的互斥 HANDLE barbers =:CreateSemaphore(NULL, 1,1, "barbers"); /定義信號(hào)量來進(jìn)行線程間的同步HANDLE customers =:CreateSemaphore(NULL,0,3,"customers"); /定義信號(hào)量來進(jìn)行線程間的同步int random()/定義隨機(jī)函數(shù)來產(chǎn)生顧客，并使兩個(gè)顧客間的時(shí)間少于15秒 return (rand()*15000)/RAND_MAX;void cutha

14、ir()/理發(fā)師的理發(fā)函數(shù)，用時(shí)15秒 :Sleep (15000);cout<<"理發(fā)結(jié)束 !"<<endl;DWORD WINAPI barber(LPVOID pParm1)/理發(fā)師線程 while(true) :WaitForSingleObject(customers,INFINITE);/p(customers)，等待顧客:WaitForSingleObject(Mutex,INFINITE); /等待互斥量 waiting-; /等待的人數(shù)減1:ReleaseSemaphore(barbers,1,NULL); /釋放信號(hào)量:Resum

15、eThread(barbers); /喚醒顧客進(jìn)程:ReleaseMutex(Mutex); /v(mutex); cuthair(); finish+; return 0;12. 整體代碼#include "windows.h"#include "iostream.h"#include "math.h"int long waiting(0); /等待理發(fā)的顧客人數(shù)int chairs; /店中椅子的總數(shù)目char open_door; /開門char close_door; /關(guān)門int count(0); /顧客的序號(hào)int fi

16、nish(0); /已經(jīng)理完發(fā)的顧客人數(shù)DWORD a;HANDLE Mutex =:CreateMutex(NULL, FALSE, "Mutex"); /用來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的互斥 HANDLE barbers =:CreateSemaphore(NULL, 1,1, "barbers"); /定義信號(hào)量來進(jìn)行線程間的同步HANDLE customers =:CreateSemaphore(NULL,0,3,"customers"); /定義信號(hào)量來進(jìn)行線程間的同步int random()/定義隨機(jī)函數(shù)來產(chǎn)生顧客，并使兩個(gè)顧客間的時(shí)間少于

17、15秒 return (rand()*15000)/RAND_MAX;void cuthair()/理發(fā)師的理發(fā)函數(shù)，用時(shí)15秒 :Sleep (15000);cout<<"理發(fā)結(jié)束 !"<<endl;void gethaircut()/ 顧客被理發(fā)的函數(shù):Sleep (15001); /顧客被理發(fā)的函數(shù)，為了和理發(fā)師之間有所區(qū)別，比理發(fā)師理發(fā)時(shí)間長1毫秒cout<<"第"<<finish<<"個(gè)顧客理發(fā)完畢,離開 "<<endl; DWORD WINAPI cu

18、stomer(LPVOID pParm2)/ 顧客線程:WaitForSingleObject(Mutex ,INFINITE); /P(mutex)來進(jìn)行互斥操作count+; /來的是第幾個(gè)顧客cout<<"顧客敲門！第 "<<count<<" 個(gè)顧客到來 "<<endl; if (waiting<chairs) /如果有空椅子 if (waiting!=0)cout<<"現(xiàn)在有"<<waiting <<" 個(gè)人在等待理發(fā)"

19、;<<endl;elsecout<<"無人在等待理發(fā)"<<endl; /輸出有多少人在等待waiting+;cout<<"剩余"<<chairs-waiting+1<<"個(gè)座位"<<endl;cout<<"有空位，顧客已坐下"<<endl;:ReleaseSemaphore(customers,1,NULL);/V(customer):ResumeThread(customers);/喚醒理發(fā)師進(jìn)程:Rele

20、aseMutex(Mutex);/釋放互斥量，以便其他線程使用:WaitForSingleObject(barbers,INFINITE);/等待理發(fā)gethaircut();elsecout<<"沒有空椅子，第"<<count<<"個(gè)顧客離開理發(fā)店"<<endl; /沒有椅子，顧客直接離開:ReleaseMutex(Mutex);return 0;DWORD WINAPI barber(LPVOID pParm1)/理發(fā)師線程 while(true) :WaitForSingleObject(custom

21、ers,INFINITE);/p(customers)，等待顧客:WaitForSingleObject(Mutex,INFINITE); /等待互斥量 waiting-; /等待的人數(shù)減1:ReleaseSemaphore(barbers,1,NULL); /釋放信號(hào)量:ResumeThread(barbers); /喚醒顧客進(jìn)程:ReleaseMutex(Mutex); /v(mutex); cuthair(); finish+; return 0;int main(int argc, char* argv)/實(shí)現(xiàn)線程的操作 cout<<"輸入理發(fā)店中的椅子個(gè)數(shù):&q

22、uot;cin>>chairs;cout<<"店中有"<<chairs<<"把椅子"<<endl; /設(shè)置椅子數(shù)目cout<<"是否開始接待顧客?Y/N"<<endl; /是否開門營業(yè)cin>>open_door;while (open_door!='y')cout<<endl<<"尚未營業(yè)！"<<endl;cout<<"是否開始接待顧客?Y/N&

23、quot;<<endl;cin>>open_door;HANDLE hThread1;HANDLE hThread2;hThread2=:CreateThread (NULL,0,barber,NULL,0,NULL); /產(chǎn)生一個(gè)理發(fā)師進(jìn)程while(close_door!='y') :Sleep(random();/函數(shù)實(shí)現(xiàn)顧客隨機(jī)到來hThread1=:CreateThread(NULL,0,customer,NULL,a,NULL);cout<<endl<<"正在營業(yè)，請(qǐng)進(jìn)！"<<endl; if (finish>=8 && waiting=0)/如果完成數(shù)超過8并且沒有人等待cout<<"已經(jīng)為"<<finish<<"