操作系統(tǒng)課程設(shè)計生產(chǎn)者消費(fèi)者問題范本

1、年4月19日操作系統(tǒng)課程設(shè)計生產(chǎn)者消費(fèi)者問題文檔僅供參考操作系統(tǒng)課 程 設(shè) 計 題 目：“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”問題學(xué) 院：信 息 工 程 學(xué) 院 專 業(yè)：計算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 班 級： 計科1302 姓 名： 施 勝 飛 指導(dǎo)老師： 徐 向 英 1月 15日目錄一、課程設(shè)計目標(biāo)2課題內(nèi)容2 1實(shí)驗?zāi)康? 2、實(shí)驗環(huán)境2 3、實(shí)驗要求2設(shè)計思路3 1.信號量的設(shè)置3 2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4 3.程序流程圖5 4.P V操作代碼6源代碼7運(yùn)行與測試10心得體會12課程設(shè)計目標(biāo) 學(xué)習(xí)System V的進(jìn)程間通信機(jī)制，使用信號量和共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)經(jīng)典進(jìn)程同步問題“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”問題。具體要求：1.創(chuàng)立信號量集，實(shí)現(xiàn)同步

2、互斥信號量。2.創(chuàng)立共享內(nèi)存，模擬存放產(chǎn)品的公共緩沖池。3.創(chuàng)立并發(fā)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程對共享緩沖池的并發(fā)操作。課題內(nèi)容1實(shí)驗?zāi)康模?）掌握基本的同步互斥算法，理解生產(chǎn)者和消費(fèi)者同步的問題模型。（2）了解linux中多線程的并發(fā)執(zhí)行機(jī)制，線程間的同步和互斥。2、實(shí)驗環(huán)境：C/C+語言編譯器3、實(shí)驗要求（1）創(chuàng)立生產(chǎn)者和消費(fèi)者線程在linux環(huán)境下，創(chuàng)立一個控制臺進(jìn)程，在此進(jìn)程中創(chuàng)立n個線程來模擬生產(chǎn)者或者消費(fèi)者。這些線程的信息由本程序定義的“測試用例文件”中予以指定。（2）生產(chǎn)和消費(fèi)的規(guī)則在按照上述要求創(chuàng)立線程進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作時，還需要符合以下要求：共享緩沖區(qū)存在空閑空間時，生產(chǎn)者即可使用共享緩沖

3、區(qū)。從上邊的測試數(shù)據(jù)文件例子能夠看出，某一生產(chǎn)者生產(chǎn)一個產(chǎn)品后，可能不止一個消費(fèi)者，或者一個消費(fèi)者多次地請求消費(fèi)該產(chǎn)品。此時，只有當(dāng)所有的消費(fèi)需求都被滿足以后，該產(chǎn)品所在的共享緩沖區(qū)才能夠被釋放，并作為空閑空間允許新的生產(chǎn)者使用。每個消費(fèi)者線程的各個消費(fèi)需求之間存在先后順序。例上述測試用例文件包含一行信息“5 C 3 l 2 4”，可知這代表一個消費(fèi)者線程，該線程請求消費(fèi)1，2，4號生產(chǎn)者線程生產(chǎn)的產(chǎn)品。而這種消費(fèi)是有嚴(yán)格順序的，消費(fèi)1號線程產(chǎn)品的請求得到滿足后才能繼續(xù)往下請求2號生產(chǎn)者線程的產(chǎn)品。要求在每個線程發(fā)出讀寫操作申請、開始讀寫操作和結(jié)束讀寫操作時分別顯示提示信息。（3）相關(guān)基礎(chǔ)知識

4、 本實(shí)驗所使用的生產(chǎn)者和消費(fèi)者模型具有如下特點(diǎn)： 本實(shí)驗的多個緩沖區(qū)不是環(huán)形循環(huán)的，也不要求按順序訪問。生產(chǎn)者能夠把產(chǎn)品放到當(dāng)前某一個空緩沖區(qū)中。 消費(fèi)者只消費(fèi)指定生產(chǎn)者的產(chǎn)品。 在測試用例文件中指定了所有的生產(chǎn)和消費(fèi)的需求，只有當(dāng)共享緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)滿足了所有關(guān)于它的消費(fèi)需求后，此共享緩沖區(qū)才能夠作為空閑空間允許新的生產(chǎn)者使用。 本實(shí)驗在為生產(chǎn)者分配緩沖區(qū)時各生產(chǎn)者間必須互斥，此后各個生產(chǎn)者的具體生產(chǎn)活動能夠并發(fā)。而消費(fèi)者之間只有在對同一產(chǎn)品進(jìn)行消費(fèi)時才需要互斥，同時它們在消費(fèi)過程結(jié)束時需要判斷該消費(fèi)對象是否已經(jīng)消費(fèi)完畢并清除該產(chǎn)品。linux用來實(shí)現(xiàn)同步和互斥的實(shí)體。在linux中，常見的同步

5、對象有：信號量(Semaphore)、互斥量(Mutex)、臨界段(CriticalSection)等。使用這些對象都分為三個步驟，一是創(chuàng)立或者初始化：接著請求該同步對象，隨即進(jìn)入臨界區(qū)，這一步對應(yīng)于互斥量的上鎖；最后釋放該同步對象，這對應(yīng)于互斥量的解鎖。這些同步對象在一個線程中創(chuàng)立，在其它線程中都能夠使用，從而實(shí)現(xiàn)同步互斥。設(shè)計思路1.信號量的設(shè)置生產(chǎn)者進(jìn)程與消費(fèi)者進(jìn)程是經(jīng)典的同步互斥關(guān)系。系統(tǒng)創(chuàng)立兩類進(jìn)程：proceducer ()和consumer()，分別用來描述生產(chǎn)者和消費(fèi)者的行為。生產(chǎn)者與消費(fèi)者問題是指若干進(jìn)程經(jīng)過循環(huán)緩沖池區(qū)交換數(shù)據(jù)。如下圖所示，生產(chǎn)者進(jìn)程不斷向循環(huán)緩沖池區(qū)中寫入

6、數(shù)據(jù)（即生產(chǎn)數(shù)據(jù)），而消費(fèi)者進(jìn)程不斷從循環(huán)緩沖池區(qū)中讀出數(shù)據(jù)（即消費(fèi)數(shù)據(jù)）。循環(huán)緩沖池共有N個緩沖區(qū)，緩沖區(qū)能夠暫存一個產(chǎn)品，任何時刻只能有一個進(jìn)程課對循環(huán)緩沖池進(jìn)行操作。所有生產(chǎn)者和消費(fèi)者要協(xié)調(diào)工作，以完成數(shù)據(jù)的交換。只要有空緩沖區(qū)，生產(chǎn)者就能夠把產(chǎn)品送入緩沖區(qū)；只要有滿緩沖區(qū)，消費(fèi)者就能夠從緩沖區(qū)中取走物品。為了解決生產(chǎn)者和消費(fèi)者問題，應(yīng)該設(shè)置信號量和變量如下： full： 滿緩沖區(qū)資源信號量 ，初值為0；empty：空緩沖區(qū)資源信號量 ，初值為n；in： 生產(chǎn)者指針，初值均為0；out： 消費(fèi)者指針，均為0；mutex：緩沖區(qū)操作的互斥信號量，初值為12.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PCB* readyhe

7、ad=NULL, * readytail=NULL; / 就緒隊列鏈表結(jié)構(gòu)PCB* consumerhead=NULL, * consumertail=NULL; / 消費(fèi)者隊列PCB* producerhead=NULL, * producertail=NULL; / 生產(chǎn)者隊列processproc() 給PCB分配內(nèi)存，產(chǎn)生相應(yīng)的的進(jìn)程Pempty() 如果緩沖區(qū)滿，該進(jìn)程進(jìn)入生產(chǎn)者等待隊列；linkqueue(exe,&producertail); / 把就緒隊列里的進(jìn)程放入生產(chǎn)者隊列的尾部執(zhí)行順序：Main()emptyinfulloutfinish當(dāng)緩沖池為空時，生產(chǎn)者生產(chǎn)產(chǎn)品in

8、緩沖池 in=in+1當(dāng)緩沖池為滿時，消費(fèi)者消費(fèi)產(chǎn)品out緩沖池 out=out+13. 程序流程圖生產(chǎn)者線程開始資源信號量P操作生產(chǎn)者線程開始資源信號量P操作互斥信號量P操作生產(chǎn)一個產(chǎn)品把產(chǎn)品送入緩沖區(qū)互斥信號量V操作資源信號量V操作等待隊列中有消費(fèi)者線程等待隊列中有消費(fèi)者線程線程自我阻塞添加到等待隊列線程自我阻塞添加到等待隊列未經(jīng)過未經(jīng)過經(jīng)過經(jīng)過喚醒對頭的消費(fèi)者線程喚醒對頭的消費(fèi)者線程生產(chǎn)者線程結(jié)束YYNN消費(fèi)者線程開始消費(fèi)者線程開始資源信號量P操作互斥信號量P操作從緩沖區(qū)取出一個產(chǎn)品消費(fèi)一個產(chǎn)品互斥信號量V操作資源信號量V操作等待隊列中有生產(chǎn)者線程等待隊列中有生產(chǎn)者線程線程自我阻塞添加到

9、等待隊列線程自我阻塞添加到等待隊列未經(jīng)過未經(jīng)過經(jīng)過經(jīng)過喚醒對頭的生產(chǎn)者線程喚醒對頭的生產(chǎn)者線程消費(fèi)者線程結(jié)束YYNN圖二 消費(fèi)者流程結(jié)構(gòu)4.PV操作代碼semaphore empty=n;semaphore full=0;semaphore mutex=1;message buffern;int in=0;int out=0;void main()parbegin(proceducer(),consumer();void proceducer() do prodece a new meddage;P(empty);P(mutex);send a new message to bufferin;

10、in=(in+1)%n;V(mutex);V(full); while(true);void consumer() do P(full); P(mutex); get a message from bufferout;out=(out+1)%n;V(mutex);V(empty);comsume a message;while(true);源代碼#include windows.h #include iostream.h #include math.h #define random (rand()*10000)/RAND_MAX /定義一個隨機(jī)函數(shù)來生產(chǎn)產(chǎn)品，而且使兩個顧產(chǎn)品間的時間少于10秒

11、 int long waiting(0); /正在等待的產(chǎn)品的數(shù)目 int buffer; /空位的總數(shù)目 char empty; /緩沖區(qū)空 char full; /緩沖區(qū)滿 int count(0); /產(chǎn)品的號碼數(shù) int finish(0); /生產(chǎn)完畢的產(chǎn)品數(shù)目 DWORD a; void proceduce() Sleep (10000); cout緩沖區(qū)已空 !endl; /生產(chǎn)者生產(chǎn)產(chǎn)品函數(shù)，用時10秒 void getconsum() Sleep (10001); /產(chǎn)品被生產(chǎn)的函數(shù)，為了合理區(qū)分生產(chǎn)產(chǎn)品 cout第finish個產(chǎn)品被消費(fèi),取出 endl; HANDLE M

12、utex=CreateMutex(NULL, FALSE, Mutex); /用來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的互斥 HANDLE proceducer=CreateSemaphore(NULL, 1,1, proceducer);/定義信號量來進(jìn)行線程間的同步 HANDLE consumer=CreateSemaphore(NULL,0,3,consum); DWORD WINAPI consum(LPVOID pParm2) /消費(fèi)的線程 WaitForSingleObject(Mutex ,INFINITE); /p(mutex)來進(jìn)行互斥操作 count+; /生產(chǎn)的是第幾個產(chǎn)品 cout第 count

13、個產(chǎn)品生產(chǎn)了 endl; if (waitingbuffer) /如果緩沖池還有空位 if (waiting!=0) cout此時有waiting+1 個產(chǎn)品等待消費(fèi)endl; else cout沒有產(chǎn)品在等待endl; /輸出有多少人在等待 waiting+; cout還有buffer-waiting個空位endl; cout有空區(qū)，產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入endl; ReleaseSemaphore(consum,1,NULL);/v(consumer) ResumeThread(consum);/喚醒生產(chǎn)者進(jìn)程 ReleaseMutex(Mutex);/釋放互斥量，以便其它線程使用 WaitForS

14、ingleObject(proceducer,INFINITE);/等待生產(chǎn) getconsum(); /消費(fèi)并取走 else cout緩沖區(qū)已滿，第count個產(chǎn)品暫停生產(chǎn)endl; /沒有空位，生產(chǎn)者不再生產(chǎn) ReleaseMutex(Mutex); return 0; DWORD WINAPI proceducers(LPVOID pParm1) /生產(chǎn)者的線程 while(true) /一直執(zhí)行 WaitForSingleObject(consum,INFINITE);/p(customers)，等待產(chǎn)品 WaitForSingleObject(Mutex,INFINITE); /等待

15、互斥量 waiting-; /等待的產(chǎn)品數(shù)減一 ReleaseSemaphore(proceducer,1,NULL); /釋放信號量 ResumeThread(proceducer); /喚醒消費(fèi)進(jìn)程 ReleaseMutex(Mutex); /v(mutex); proceduce(); /生產(chǎn) finish+; /消費(fèi)的產(chǎn)品數(shù)加1 return 0; int main(int argc, char* argv) coutbuffer; cout緩沖區(qū)共有buffer個空位endl; /設(shè)置緩沖區(qū)空位數(shù)目 cout緩沖區(qū)空生產(chǎn)產(chǎn)品嗎?Y/Nempty; while (empty!=y) c

16、outendl*對不起，緩沖區(qū)滿！*endl; cout緩沖區(qū)已空，生產(chǎn)產(chǎn)品?Y/Nempty; HANDLE hThread1; HANDLE hThread2; hThread2=:CreateThread (NULL,0,proceducers,NULL,0,NULL); /產(chǎn)生一個生產(chǎn)者進(jìn)程 while(full!=y) Sleep(random); /產(chǎn)品隨機(jī)進(jìn)入 hThread1=:CreateThread(NULL,0,consum,NULL,a,NULL); coutendl*緩沖區(qū)已空，請繼續(xù)生產(chǎn)*=10&waiting=0) /如果完成數(shù)超過10而且沒有人等待 cout已經(jīng)為finish個產(chǎn)品了，要停止生產(chǎn)嗎?full; return full; else ; if (full=y) cout*對不起，緩沖區(qū)已滿*endl; return 0; 運(yùn)行與測試緩沖區(qū)空位總數(shù)目為1時運(yùn)行結(jié)果截圖：緩沖區(qū)空位總數(shù)目為0和3時運(yùn)行結(jié)果截圖（其余部分如上當(dāng)緩沖區(qū)空位總數(shù)目為1時的截圖）心得體會本次