四川大學(xué)操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)第三次實(shí)驗(yàn)程序?qū)嶒?yàn)三 生產(chǎn)者消費(fèi)者

實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題2012-04實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆栈镜耐交コ馑惴ǎ斫馍a(chǎn)者和消費(fèi)者模型。了解Windows2000/XP中多線程的并發(fā)執(zhí)行機(jī)制，線程間的同步和互斥。學(xué)習(xí)使用Windows2000/XP中基本的同步對象，掌握相應(yīng)的API實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題課件的內(nèi)容組織：（一）相關(guān)基礎(chǔ)知識

1、進(jìn)程同步

2、同步對象

3、生產(chǎn)消費(fèi)者模型 模型特點(diǎn)（緩沖池、生產(chǎn)和消費(fèi)的規(guī)則、測試用例）實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題課件的內(nèi)容組織：（二）程序的實(shí)現(xiàn)： 1、實(shí)驗(yàn)環(huán)境 2、相關(guān)API：有關(guān)操縱同步對象API實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題程序的結(jié)構(gòu).函數(shù)： 一個(gè)主函數(shù)、 兩個(gè)模擬(生產(chǎn)、消費(fèi))函數(shù)、 三個(gè)輔助函數(shù).數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

產(chǎn)品緩沖區(qū)、 線程信息、 同步對象(寫寫互斥：互斥量；讀寫同步：信號量；讀互斥：臨界區(qū)；臨界資源：信號量)實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題相關(guān)基礎(chǔ)知識——進(jìn)程同步1

進(jìn)程同步：為避免OS在多道程序環(huán)境下由于進(jìn)程的異步性給系統(tǒng)造成混亂引入同步機(jī)制。其主要任務(wù)是使并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程（含線程）之間能有效地共享資源和相互合作。實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題進(jìn)程相互間的制約關(guān)系：◆間接相互制約：源于各進(jìn)程對臨界資源的訪問，用互斥方式協(xié)調(diào)進(jìn)程◆直接相互制約：源于進(jìn)程間為共同完成任務(wù)的相互合作，用同步方式協(xié)調(diào)進(jìn)程

相關(guān)基礎(chǔ)知識——進(jìn)程同步2實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題

同步對象：是指Windows用來實(shí)現(xiàn)同步和互斥的實(shí)體。下面是常見的同步對象：信號量（Semaphore）、互斥量（Mutex）、臨界段（CriticalSection）事件（Event）等。相關(guān)基礎(chǔ)知識——同步對象1實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題同步對象的使用：①創(chuàng)建或者初始化；②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；③釋放該同步對象，這一步對應(yīng)于互斥量的解鎖。相關(guān)基礎(chǔ)知識——同步對象2實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題通常這些對象是全局的，或者對相關(guān)進(jìn)程（或線程）來說是全局的，所以可以在一個(gè)進(jìn)程中創(chuàng)建的同步對象，在其他線程中都可以使用，從而實(shí)現(xiàn)了同步互斥?；コ饬俊⑿盘柫?、事件可以跨線程甚至跨進(jìn)程使用以實(shí)現(xiàn)同步。相關(guān)基礎(chǔ)知識——同步對象3實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題模型特點(diǎn)：

主進(jìn)程中創(chuàng)建n個(gè)線程來模擬生產(chǎn)者或者消費(fèi)者。生產(chǎn)者生產(chǎn)產(chǎn)品，消費(fèi)者只消費(fèi)指定生產(chǎn)者的產(chǎn)品。相關(guān)基礎(chǔ)知識——生產(chǎn)消費(fèi)者模型1實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題緩沖池（本實(shí)驗(yàn)是數(shù)組）代表產(chǎn)品，緩沖池的不同值代表產(chǎn)品的狀態(tài)： -1：空閑； -2：被寫狀態(tài)； 其他值（大于0）：可消費(fèi)的產(chǎn)品編號（以生成者的線程編號表示）相關(guān)基礎(chǔ)知識——生產(chǎn)消費(fèi)者模型2實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題緩沖池不是環(huán)形循環(huán)的，也不要求按順序訪問。生產(chǎn)者可以把產(chǎn)品放到目前某一個(gè)空緩沖區(qū)中。

共享緩沖區(qū)作為空閑空間的條件：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，此時(shí)該空閑空間允許新的生產(chǎn)者使用。相關(guān)基礎(chǔ)知識——生產(chǎn)消費(fèi)者模型3實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題為生產(chǎn)者分配緩沖區(qū)時(shí)各生產(chǎn)者間必須互斥，此后各個(gè)生產(chǎn)者的具體生產(chǎn)活動(dòng)可以并發(fā)。

消費(fèi)者之間只有在對同一產(chǎn)品進(jìn)行消費(fèi)時(shí)才需要互斥，同時(shí)在消費(fèi)過程結(jié)束時(shí)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。相關(guān)基礎(chǔ)知識——生產(chǎn)消費(fèi)者模型4實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題線程信息的結(jié)構(gòu)：線程信息寫入“測試用例文件”(為一個(gè)文本文件）中，格式和含義如下： 3 1 P 3 2 P 4 3 C 4 1 4 P 2 5 C 3 1 2 4

相關(guān)基礎(chǔ)知識——生產(chǎn)消費(fèi)者模型5緩沖區(qū)數(shù)量線程號P:生產(chǎn)者,C:消費(fèi)者線程開始生產(chǎn)、消費(fèi)前的休眠時(shí)間消費(fèi)產(chǎn)品所對應(yīng)生產(chǎn)者的線程號實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題第一行說明程序中設(shè)置幾個(gè)緩沖區(qū)，其余每行分別描述了一個(gè)生產(chǎn)者或者消費(fèi)者線程的信息。

每一行的各字段間用Tab鍵隔開。不管是消費(fèi)者還是生產(chǎn)者，都有一個(gè)對應(yīng)的線程號，即每一行開始字段那個(gè)整數(shù)。相關(guān)基礎(chǔ)知識——生產(chǎn)消費(fèi)者模型6實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題第二個(gè)字段用字母P或者C區(qū)分是生產(chǎn)者還是消費(fèi)者。第三個(gè)字段表示在進(jìn)入相應(yīng)線程后，在進(jìn)行生產(chǎn)和消費(fèi)動(dòng)作前的休眠時(shí)間，以秒計(jì)時(shí)；通過調(diào)整這一列參數(shù)，控制開始進(jìn)行生產(chǎn)和消費(fèi)動(dòng)作的時(shí)間。相關(guān)基礎(chǔ)知識——生產(chǎn)消費(fèi)者模型7實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題如果是代表生產(chǎn)者，則該行只有三個(gè)字段。如果代表消費(fèi)者，則該行后邊還有若干字段，代表要求消費(fèi)的產(chǎn)品所對應(yīng)的生產(chǎn)者的線程號。

生產(chǎn)和消費(fèi)的規(guī)則： ◆共享緩沖區(qū)存在空閑空間時(shí)，生產(chǎn)者即可使用共享緩沖區(qū)。相關(guān)基礎(chǔ)知識——生產(chǎn)消費(fèi)者模型8實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題◆某一生產(chǎn)者生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品后，可能不止一個(gè)消費(fèi)者，或者一個(gè)消費(fèi)者多次地請求消費(fèi)該產(chǎn)品。此時(shí)，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)才可以被釋放，并作為空閑空間允許新的生產(chǎn)者使用。相關(guān)基礎(chǔ)知識——生產(chǎn)消費(fèi)者模型9實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題◆每個(gè)消費(fèi)者線程的各個(gè)消費(fèi)需求之間存在嚴(yán)格的先后順序。 如

“5C3124”，可知這代表一個(gè)消費(fèi)線程，該線程請求消費(fèi)順序嚴(yán)格為1、2、4號生產(chǎn)者線程生產(chǎn)的產(chǎn)品。相關(guān)基礎(chǔ)知識——生產(chǎn)消費(fèi)者模型10實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題WindowsXP＋VC++6.0利用WindowsSDK提供的系統(tǒng)接口（API，應(yīng)用程序接口）完成程序的功能。API是操作系統(tǒng)提供的用來進(jìn)行應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能接口。使用API，需要包含對API函數(shù)進(jìn)行說明的SDK頭文件，最常見的就是windows.h程序的實(shí)現(xiàn)——實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題

CreateThread功能：創(chuàng)建一個(gè)線程，該線程在調(diào)用進(jìn)程的地址空間中執(zhí)行。格式：HANDLECreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTESlpThreadAttributes, DWORDdwStackSize,

LPTHREAD_START_ROUTINElpStartAddress, LPVOIDlpparamiter, DWORDdwCreationFlags, LPDWORDlpThreadId)；參數(shù)：lpStartAddress：函數(shù)指針，新創(chuàng)建的線程要執(zhí)行該函數(shù)。程序的實(shí)現(xiàn)—相關(guān)API函數(shù)的介紹1實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題

CreateMutex功能：產(chǎn)生一個(gè)命名的或者匿名的互斥量對象。WaitForSingleObject（對應(yīng)p操作）鎖上互斥鎖，ReleaseMutex（對應(yīng)v操作）打開互斥鎖格式：

HANDLECreateMutex( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes, BOOLbInitialOwner, LPCTSTRlpName);

程序的實(shí)現(xiàn)—相關(guān)API函數(shù)的介紹2實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題CreateSemaphore功能：創(chuàng)建一個(gè)命名的或者匿名的信號量對象。信號量可以看作是在互斥量上的一個(gè)擴(kuò)展。格式：HANDLECreateSemaphore( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, LONGlInitialCount, LONGlMaximumCount, LPCTSTRlpName);程序的實(shí)現(xiàn)—相關(guān)API函數(shù)的介紹3實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題

WaitForSingleObject功能：使程序處于等待狀態(tài)，直到信號量（或互斥量）hHandle出現(xiàn)或者超過規(guī)定的等待最長時(shí)間，信號量出現(xiàn)指信號量大于或等于1，互斥量出現(xiàn)指打開互斥鎖。在該函數(shù)返回之前將信號量減1或者鎖上互斥鎖。格式： DWORDWaitForSingleObject( HANDLEhHandle, DWORDdwMilliseconds);

程序的實(shí)現(xiàn)—相關(guān)API函數(shù)的介紹4實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題ReleaseSemaphore功能：將所指信號量加上指定大小的一個(gè)量，執(zhí)行成功，則返回非0值。格式： BOOLReleaseSemaphore( HANDLEhSemaphore, LONGlReleaseCount, LPLONGlpPreviousCount);程序的實(shí)現(xiàn)—相關(guān)API函數(shù)的介紹5實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題

ReleaseMutex功能：用來打開互斥量，即將互斥量加1。成功調(diào)用則返回0。格式： BOOLReleaseMutex( HANDLEhMutex//互斥量指針);

程序的實(shí)現(xiàn)—相關(guān)API函數(shù)的介紹6實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題

InitializeCriticalSection

功能：該函數(shù)初始化臨界區(qū)對象。格式：VOIDInitializeCriticalSection(LPCRITICAL_SECTIONlpCriticalSection);參數(shù)說明lpCriticalSection：指向臨界區(qū)對象的指針程序的實(shí)現(xiàn)—相關(guān)API函數(shù)的介紹7實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題EnterCriticalSection功能：該函數(shù)用于等待指定臨界區(qū)對象的所有權(quán)。當(dāng)調(diào)用線程被賦予所有權(quán)時(shí)，該函數(shù)返回。格式：VOIDEnterCriticalSection( LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);參數(shù)說明 lpCriticalSection：指向臨界區(qū)對象的指針。

程序的實(shí)現(xiàn)—相關(guān)API函數(shù)的介紹8實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題LeaveCriticalSection功能：該函數(shù)釋放指定的臨界區(qū)對象的所有權(quán)。格式：VOIDLeaveCriticalSection( LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);參數(shù)說明 lpCriticalSection：指向臨界區(qū)對象的指針。程序的實(shí)現(xiàn)—相關(guān)API函數(shù)的介紹9實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題一個(gè)主函數(shù)：初始化緩沖區(qū)和各個(gè)同步對象并完成線程信息的讀入和記錄，最后根據(jù)該組線程記錄啟動(dòng)模擬線程，并等待所有線程的運(yùn)動(dòng)結(jié)束后退出整個(gè)程序。程序的實(shí)現(xiàn)——程序的結(jié)構(gòu)1實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題

程序的實(shí)現(xiàn)——程序的結(jié)構(gòu)2用于模擬消費(fèi)和生產(chǎn)者的兩個(gè)函數(shù)：運(yùn)行于相應(yīng)線程中完成對緩沖區(qū)的讀寫動(dòng)作，生產(chǎn)者和消費(fèi)者線程之間通過同步對象的使用實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)和消費(fèi)動(dòng)作的同步與互斥，是本實(shí)驗(yàn)的核心所在。實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題三個(gè)輔助函數(shù)： FindProducePosition：找出當(dāng)前可以進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)的空緩沖區(qū)位置 FindBufferPosition：找出當(dāng)前所需生產(chǎn)者生產(chǎn)的產(chǎn)品位置 IfInOtherRequest：確認(rèn)是否還有對同一產(chǎn)品的消費(fèi)請求未執(zhí)行程序的流程圖如下圖所示。程序的實(shí)現(xiàn)——程序的結(jié)構(gòu)3實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題主函數(shù)實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題生產(chǎn)者線程實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題消費(fèi)者線程實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題分析生產(chǎn)消費(fèi)模型及程序結(jié)構(gòu)，定義如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：用一個(gè)整型數(shù)組Buffer_Critical來代表緩沖區(qū)。生產(chǎn)產(chǎn)品、消費(fèi)產(chǎn)品都需要訪問該組緩沖區(qū)。程序的實(shí)現(xiàn)——數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題自定義結(jié)構(gòu)體ThreadInfo記錄一條線程的信息，即將測試用例文件中的一行信息記錄下來，用于程序創(chuàng)建相應(yīng)的生產(chǎn)者或者消費(fèi)者ThreadInfo結(jié)構(gòu)類型的數(shù)組Thread_Info存放多個(gè)線程信息。程序的實(shí)現(xiàn)——數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題structThreadInfo{ int serial; //線程序列號 char entity; //是P還是C doubledelay; //線程延遲時(shí)間 int thread_request[MAX_THREAD_NUM]; //線程請求隊(duì)列 int n_request; //請求個(gè)數(shù)};

程序的實(shí)現(xiàn)——數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題

實(shí)驗(yàn)用到的同步對象：生產(chǎn)者之間的寫寫互斥：定義互斥量h_mutex，使生產(chǎn)者互斥訪問下一個(gè)可用于生產(chǎn)的空臨界區(qū)。

程序的實(shí)現(xiàn)——數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題消費(fèi)者和生產(chǎn)者之間的讀寫同步：每一個(gè)生產(chǎn)者用一個(gè)信號量與其消費(fèi)者同步，通過設(shè)置h_Semaphore[MAX_THREAD_NUM]信號量數(shù)組實(shí)現(xiàn)，該組信號量用于表示相應(yīng)產(chǎn)品已生產(chǎn)。程序的實(shí)現(xiàn)——數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題消費(fèi)者之間的讀互斥：每一個(gè)緩沖區(qū)用一個(gè)同步對象實(shí)現(xiàn)該緩沖區(qū)上消費(fèi)者之間的互斥，這通過設(shè)置臨界區(qū)對象數(shù)組PC_Critical[MAX_BUFFER_NUM]實(shí)現(xiàn)。程序的實(shí)現(xiàn)——數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)6實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題空緩沖區(qū)作為臨界資源，要設(shè)置信號量empty_semaphore來表示空緩沖區(qū)數(shù)目，指示緩沖區(qū)中是否存在空位置，以便開始生產(chǎn)下一個(gè)產(chǎn)品程序的實(shí)現(xiàn)——數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)7實(shí)驗(yàn)三生產(chǎn)者、消費(fèi)者問題將源程序文件PC.cpp和測試用例文件test1.