計算機操作系統(tǒng)課程設(shè)計報告生產(chǎn)者---消費者問題

1、計算機操作系統(tǒng)課程設(shè)計題目：生產(chǎn)者一消費者問題專 業(yè)：軟件工程年級：2010級小組成員：絲上指導(dǎo)教師：時 間：地 點：2012年5月摘要生產(chǎn)者消費者問題（英語：Producer-consumer problem）,也稱有限緩沖問 題（英語：Bounded-buffer problem ）,是一個多線程同步問題的經(jīng)典案例。該 問題描述了兩個共享固定大小緩沖區(qū)的線程一一即所謂的“生產(chǎn)者”和“消費者”在實際運行時會發(fā)生的問題。生產(chǎn)者的主要作用是生成一定量的數(shù)據(jù)放到緩 沖區(qū)中，然后重復(fù)此過程。與此同時，消費者也在緩沖區(qū)消耗這些數(shù)據(jù)。該問題 的關(guān)鍵就是要保證生產(chǎn)者不會在緩沖區(qū)滿時加入數(shù)據(jù)，消費者也不會在

2、緩沖區(qū)中空時消耗數(shù)據(jù)。生產(chǎn)者消費者模式是通過一個容器來解決生產(chǎn)者和消費者的強耦合問題。生產(chǎn)者和消費者彼此之間不直接通訊， 而通過阻塞隊列來進行通訊，所以生產(chǎn)者生 產(chǎn)完數(shù)據(jù)之后不用等待消費者處理， 直接扔給阻塞隊列，消費者不找生產(chǎn)者要數(shù) 據(jù)，而是直接從阻塞隊列里取，阻塞隊列就相當于一個緩沖區(qū)，平衡了生產(chǎn)者和消費者的處理能力。444445557889141717錯誤！未定義書簽。18目錄.概述.課程設(shè)計任務(wù)及要求設(shè)計任務(wù)設(shè)計要求分工日程表.算法及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法的總體思想生產(chǎn)者模塊消費者模塊.程序設(shè)計與實現(xiàn)程序流程圖程序代碼實驗結(jié)果. 結(jié)論.收獲、體會和建議收獲.參考文獻.概述本課題設(shè)計是完成了 “操

3、作系統(tǒng)原理”課程進行的一次全面的綜合訓(xùn)練，通 過這次課程設(shè)計，充分檢驗學(xué)生對課程的掌握程度和熟練情況， 讓學(xué)生更好的掌 握操作系統(tǒng)的原理及其實現(xiàn)方法，加深對課程的基礎(chǔ)理論和算法的理解， 加強學(xué) 生的動手能力。.課程設(shè)計任務(wù)及要求. 1設(shè)計任務(wù)通過研究Linux的進程機制和信號量實現(xiàn)生產(chǎn)者消費者問題的并發(fā)控制.說明：有界緩沖區(qū)內(nèi)設(shè)有20個存儲單元，放入/取出的數(shù)據(jù)項設(shè)定為1-20 這20個整型數(shù)。. 2設(shè)計要求(1)每個生產(chǎn)者和消費者對有界緩沖區(qū)進行操作后，實時顯示有界緩沖區(qū)的 全部內(nèi)容、當前指針位置和生產(chǎn)者/消費者的標識符。(2)生產(chǎn)者和消費者各有兩個以上。(3)多個生產(chǎn)者或多個消費者之間須有

4、共享對緩沖區(qū)進行操作的函數(shù)代碼。提示：(1)有界緩沖區(qū)可用數(shù)組實現(xiàn)。3分工日程表周二卜午周四上午周四卜午周五上午周五卜午A分析題目討論，分工編寫代碼測試系統(tǒng)編寫文檔B分析題目討論，分工編寫代碼添加備注完善系統(tǒng)3,算法及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1算法的總體思想在同一個進程地址空間內(nèi)執(zhí)行的兩個線程。生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品，然后將物品放置在一個空緩沖區(qū)中供消費者線程消費。 消費者線程從緩沖區(qū)中獲得物品，然后釋放緩沖區(qū)。當生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品時，如果沒有空緩沖區(qū)可用，那么生產(chǎn)者線程必須等 待消費者線程釋放出一個空緩沖區(qū)。當消費者線程消費物品時，如果沒有滿的緩 沖區(qū)，那么消費者線程將被阻塞，直到新的物品被生產(chǎn)出來。2生產(chǎn)者模

5、塊功能在同一個進程地址空間內(nèi)執(zhí)行的兩個線程。生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品，然后將物品放置在一個空緩沖區(qū)中供消費者線程消費。當生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品 時，如果沒有空緩沖區(qū)可用，那么生產(chǎn)者線程必須等待消費者線程釋放出一 個空緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)producer_semaphore/生產(chǎn)者的資源信號量(初始值為緩沖區(qū)的大小)Bufferpn /有界緩沖區(qū)Pn / 緩沖區(qū)目標位置MAX_BUFFER/緩沖區(qū)上限buffer_mutex/互斥信號量Wait()/等待操作，用于申請資源Signal()/信號操作，用于釋放資源Sleep()/ 掛起算法void *producer_thread(void *tid)pthre

6、ad_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL);/* 設(shè)置狀態(tài)，PTHREAD_CANCEL_ENABLE是正常處理 cancel信號*/while(1)等待，需要生存*/sem_wait(&producer_semaphore); /* srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%2+1); /*一個或兩個需要生產(chǎn) */while(produce_pointer+1)%20=consume_pointer); /*指針位置*/sem_wait(&buffer_mutex); /* 緩存區(qū) */buffer

7、produce_pointer=rand()%20+1;/*指針位置 */produce_pointer=(produce_pointer+1)%20; /*指針位置 */*判斷*/if(produce_pointer=0)printf( 生產(chǎn)者:%d 指針指向:%2d 生產(chǎn)產(chǎn)品號:2dn,(int)tid,19,buffer19);/*輸出生產(chǎn)者，指針，緩存區(qū)*/fprintf(fd, 生產(chǎn)者:%d指針指向:%2d生產(chǎn)產(chǎn)品號:2dn,(int)tid,19,buffer19);/*輸出生產(chǎn)者，指針，緩存區(qū)*/elseprintf( 生產(chǎn)者:%d 指針指向:%2d 生產(chǎn)產(chǎn)品號:%2dn,(in

8、t)tid,produce_pointer-1,bufferproduce_pointer-1);/*輸出生產(chǎn)者，指針，緩存區(qū) */fprintf(fd, 生產(chǎn)者:%d 指針指向:%2d 生產(chǎn)產(chǎn)品號:%2dn,(int)tid,produce_pointer-1,bufferproduce_pointer-1);/*輸出生產(chǎn)者，指針，緩存區(qū) */showbuf();sem_post(&buffer_mutex);sem_post(&consumer_semaphore); /*通知消費者緩沖區(qū)不是空的*/srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%5

9、+1); /*等待幾秒鐘，然后繼續(xù)生產(chǎn)*/return (void*)0);3.3消費者模塊功能消費者線程從緩沖區(qū)中獲得物品，然后釋放緩沖區(qū)。當消費者線程消費物品 時，如果沒有滿的緩沖區(qū)，那么消費者線程將被阻塞，直到新的物品被生產(chǎn)出來。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)consumer_semaphore/消費者的資源信號量(初始值為0)Bufferpn /有界緩沖區(qū)Pn /緩沖區(qū)目標位置MAX_BUFFER緩沖區(qū)上限buffer_mutex/互斥信號量Wait()/等待操作，用于申請資源Signal。/信號操作，用于釋放資源Sleep() 掛起算法void *consumer_thread(void *tid)/*可

10、以被其他線程使用*/pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL);/* 設(shè)置狀態(tài)，PTHREAD_CANCEL_ENABLE 是忽略 cancel 信號*/while(1)sem_wait(&consumer_semaphore); /*通知消費者消費 */srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%2+1);/*一個或兩個來消費 */sem_wait(&buffer_mutex);printf( 消費者:%d指針指向:%2d消費產(chǎn)品號:%2dn,(int)tid,consume_pointer

11、,bufferconsume_pointer);/*輸出消費者，消費者指針，緩存區(qū) */fprintf(fd, 消費者:%d 指針指向:%2d 消費產(chǎn)品號:%2dn,(int)tid,consume_pointer,bufferconsume_pointer);/*輸出消費者，消費者指針，緩存區(qū) */bufferconsume pointer=0; /*消費者指針指向 0*/consume_pointer=(consume_pointer+1)%20;showbuf();sem_post(&buffer_mutex);sem_post(&producer_semaphore);/*通知生產(chǎn)者緩

12、沖區(qū)不是空的*/srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%5+1); /*等待幾秒鐘，然后繼續(xù)消費*/return (void*)0);.程序設(shè)計與實現(xiàn)程序流程圖程序代碼#include#include#include#include#include#include#include#include#include #include#define NUM_THREADS_P 5#define NUM_THREADS_C 5#define MAX_BUFFER 20#define RUN_TIME 20int bufferMAX_BUFFER;/*定義

13、數(shù)據(jù)為生產(chǎn)者*/*定義數(shù)據(jù)為消費者*/*定義數(shù)據(jù)為緩存區(qū)*/*定義運行時間*/*定義最大緩存區(qū)*/int produce_pointer=0,consume_pointer=0;/*定義指針*/sem_t producer_semaphore,consumer_semaphore,buffer_mutex;/*定義信-號量,互斥*/pthread_t threads_pNUM_THREADS_P; /*聲明生產(chǎn)者線程 */pthread_t threads_cNUM_THREADS_C; /*聲明消費者線程 */FILE* fd;void *producer_thread(void *tid)

14、;/* 聲明生產(chǎn)者線程 */void *consumer_thread(void *tid); /*聲明消費者線程 */void showbuf(); /* 聲明 showbuf 方法*/void handler()int i; /* 定義 i*/for(i=0;iNUM_THREADS_P;i+)pthread_cancel(threads_pi);/*for 循環(huán)，如果 iNUM_THREADS_P, 貝U pthread_cancel(threads_pi); 并且 i+*/for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+)pthread_cancel(threads_ci);/*fo

15、r 循環(huán)，如果 iNUM_THREADS_C,貝U pthread_cancel(threads_ci); 并且 i+*/int main()int i; /* 定義 i*/signal(SIGALRM,handler);/* 定義信號量 */fd=fopen(output.txt,w);/*打開一個文件用來保存結(jié)果*/sem_init(&producer_semaphore,0,MAX_BUFFER); /*放一個值名信號燈 */sem_init(&consumer_semaphore,0,0);sem_init(&buffer_mutex,0,1);for(i=0;iMAX_BUFFER;

16、i+)bufferi=0; /* 引發(fā)緩沖 */*創(chuàng)建線程*/for(i=0;iNUM_THREADS_P;i+)pthread_create(&threads_pi,NULL,(void*)producer_thread,(void*)(i+1);/*創(chuàng)建線程*/for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+)pthread_create(&threads_ci,NULL,(void*)consumer_thread,(void *)(i+1);alarm(RUN_TIME);for(i=0;iNUM_THREADS_P;i+)pthread_join(threads_pi,NULL);

17、/*等待線程退出*/for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+)pthread_join(threads_ci,NULL);/*等待線程退出*/sem_destroy(&producer_semaphore);/*清除信號燈*/sem_destroy(&consumer_semaphore);/*清除信號燈*/sem_destroy(&buffer_mutex);/*清除緩存區(qū)*/fclose(fd); /* 關(guān)閉文件 */return 0;void *producer_thread(void *tid)pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENA

18、BLE,NULL);/*設(shè)置狀態(tài)，PTHREAD_CANCEL_ENABLE 是正常處理cancel信號*/while(1) sem_wait(&producer_semaphore); /* 等待，需要生存 */srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%2+1); /*一個或兩個需要生產(chǎn)*/while(produce_pointer+1)%20=consume_pointer); /*指針位置*/sem_wait(&buffer_mutex); /* 緩存區(qū) */bufferproduce_pointer=rand()%20+1; /*指針位置

19、*/produce_pointer=(produce_pointer+1)%20; /*指針位置*/*判斷*/if(produce_pointer=0)printf( 生產(chǎn)者:%d指針指向:%2d生產(chǎn)產(chǎn)品號:2dn,(int)tid,19,buffer19);/*輸出生產(chǎn)者，指針，緩存區(qū)*/fprintf(fd, 生產(chǎn)者:%d 指針指向:%2d 生產(chǎn)產(chǎn)品 號:2dn,(int)tid,19,buffer19);/*輸出生產(chǎn)者，指針，緩存區(qū)*/ elseprintf( 生產(chǎn)者:%d指針指向:%2d生產(chǎn)產(chǎn)品號:%2dn,(int)tid,produce_pointer-1,bufferproduc

20、e_pointer-1);/*輸出生產(chǎn)者，指針，緩存區(qū) */fprintf(fd, 生產(chǎn)者:%d 指針指向:%2d 生產(chǎn)產(chǎn)品 號:%2dn,(int)tid,produce_pointer-1,bufferproduce_pointer-1);/*輸出生產(chǎn)者，指針，緩存區(qū) */showbuf();sem_post(&buffer_mutex);sem_post(&consumer_semaphore); /* 通知消費者緩沖區(qū)不是空的 */srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%5+1); /*等待幾秒鐘，然后繼續(xù)生產(chǎn)*/return (void

21、*)0);void *consumer_thread(void *tid)/*可以被其他線程使用*/pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL);/* 設(shè)置狀態(tài)，PTHREAD_CANCEL_ENABLE 是忽略 cancel 信號*/while(1)sem_wait(&consumer_semaphore); /*通知消費者消費 */srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%2+1);/*一個或兩個來消費 */sem_wait(&buffer_mutex);printf( 消費者:%d指針指

22、向:%2d消費產(chǎn)品號:%2dn,(int)tid,consume_pointer,bufferconsume_pointer);/*輸出消費者，消費者指針，緩存區(qū) */fprintf(fd, 消費者:%d指針指向:%2d消費產(chǎn)品號:%2dn,(int)tid,consume_pointer,bufferconsume_pointer);/*輸出消費者，消費者指針，緩存區(qū) */bufferconsume_pointer=0; /*消費者指針指向 0*/consume_pointer=(consume_pointer+1)%20;showbuf();sem_post(&buffer_mutex);

23、sem_post(&producer_semaphore); /*通知生產(chǎn)者緩沖區(qū)不是空的*/srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%5+1); /*等待幾秒鐘，然后繼續(xù)消費*/)return (void*)0);)/*查看緩沖區(qū)內(nèi)容*/void showbuf()int i; /* 定義 i*/printf(buffer:);/*輸出緩存區(qū) */fprintf(fd,buffer:);/*輸出緩存區(qū) */for(i=0;iMAX_BUFFER;i+)printf(%2d ,bufferi);/* 輸出緩存區(qū) i*/fprintf(fd,%2d

24、,bufferi); /*輸出緩存區(qū) i*/printf(nn);/*換行*/fprintf(fd,nn); /*換行 */實驗結(jié)果文件()編揖(日 查看(Y)搜索(S)終端(工)幫助出)rootlocal.host 臬面#rootlocalhost 桌面 j#gcc 3.c -o 3 -Ipthread ./3rootlocalhost:/ 桌面生產(chǎn)者：5 緩沖區(qū)：1指針指向：60 0 0 0生產(chǎn)產(chǎn)品號：10 0 0 0 0生產(chǎn)者：3卷神區(qū)：1指針指向：112 0 e e生產(chǎn)產(chǎn)品號：120 0 0 0 0生產(chǎn)者:1 絳神區(qū)：1指針指向：212 19 0 0生產(chǎn)產(chǎn)品號:19o e o e e生

25、產(chǎn)者:4線神區(qū)：1指針指向：312 19 19 0生產(chǎn)產(chǎn)品號：190 0 0 0生產(chǎn)青：2領(lǐng)神區(qū)：1指針指向：412 19 19 9生產(chǎn)產(chǎn)品號：0 0 0 0，消費者:1線神區(qū)：0指針指向：012 19 19 9消費產(chǎn)品號：0 e o e津費者:2線沖區(qū)：0指針指向：1 0 19 19 9消費產(chǎn)品號：120 0 0 0 0造費者:3綏神區(qū)：0指針指向：20 0 19 9消費產(chǎn)品號：190 0 0 0 0消費者：4 綏神區(qū)：。指針指向：30 0 0 9消費產(chǎn)品號：190 0 0 0港費者:5 鎂神區(qū)：指針指向：40 0 0 0消費產(chǎn)品號：0 0 0 0生產(chǎn)者:1 緣神區(qū)：。指針指向：5e e e

26、 e 18生產(chǎn)產(chǎn)品號：18o e o e生產(chǎn)者：5線神區(qū)：0指針指向：60 0 0 0 18生產(chǎn)產(chǎn)品號：10 0 0文件(E)編輯(E)查看Q)搜索(S)終端(工)幫助(H)生產(chǎn)者：3緩沖區(qū)：0指針指向：80 0 0 0生產(chǎn)產(chǎn)品號：90 6 9 0生產(chǎn)者:2 緩沖區(qū)：。指針指向：90 0 0 0生產(chǎn)產(chǎn)品號：0 6 9 9消費者:2緩沖區(qū)：。指針指向：70 0 0 0消費產(chǎn)品號：0 0 9 9消費者:4緩神區(qū)：0指針指向：80 0 0 0消費產(chǎn)品號：0 0 0 9生產(chǎn)者：1 緩沖區(qū)：。指針指向：100 0 0 0生產(chǎn)產(chǎn)品號：1717消費者：3緩神區(qū)：0指針指向：90 0 0 0消費產(chǎn)品號：e e

27、 e o917生產(chǎn)者：3 緩沖區(qū)：。指針指向：H0 0 0 0生產(chǎn)產(chǎn)品號：130 0 0 0 1713生產(chǎn)者:4緩神區(qū):0指針指向:120 0 0 0生產(chǎn)產(chǎn)品號：120 0 0 0 171312生產(chǎn)者：5緩沖區(qū)：0指針指向：130 0 0 0生產(chǎn)產(chǎn)品號:180 0 0 0 17131218生產(chǎn)者：2緩神區(qū):0指針指向：140 0 0 0生產(chǎn)產(chǎn)品號：12e e 0 o 1713121812消費者：2 緩沖區(qū)：。指針指向：ie0 0 0 0消費產(chǎn)品號：170 0 0 0 0131812消費者：5緩神區(qū)：0指針指向：116 0 0 0消費產(chǎn)品號：136 0 0 0 0121812消費者:4緩沖區(qū)：0

28、指針指向：120 0 0 0消費產(chǎn)品號：120 0 0 0 01812.結(jié)論本次課程設(shè)計主要是對操作系統(tǒng)中線程，進程同步互斥等知識的揉合應(yīng)用， 生產(chǎn)者-消費者問題是一個著名的同步問題，原理易懂，但操作并不簡單。本次 編寫的程序基本實現(xiàn)了設(shè)計要求的功能，但并沒有做到真正的完善，系統(tǒng)還有一 點小瑕疵，對于某些方面的小問題沒有能解決。 但這次課程設(shè)計通過我們組員的 努力還是基本完成了，對于自身的幫助非常大，無論是編寫程序還是設(shè)計等各方 面都有很大的提升。.收獲、體會和建議經(jīng)過2.5天的課程設(shè)計，我們完成了一個生產(chǎn)者-消費者問題的小程序，這 個程序主要考察的是是P、V操作，實驗設(shè)一個共享緩沖區(qū)，生產(chǎn)者和消費者互 斥的使用，當一個線程使用緩沖區(qū)的時候，另一個讓其等待直到前一個線程釋放 緩沖區(qū)為止。還有就是對進程，線程的操作。實