生產(chǎn)者消費(fèi)者問題設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

。選題背景生產(chǎn)者消費(fèi)者問題是研究多線程程序時(shí)繞不開的經(jīng)典問題之一，它描述是有一塊緩沖區(qū)作為倉庫，生產(chǎn)者可以將產(chǎn)品放入倉庫，消費(fèi)者則可以從倉庫中取走產(chǎn)品。解決生產(chǎn)者/消費(fèi)者問題的方法可分為兩類:（1）采用某種機(jī)制保護(hù)生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的同步；（2)在生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間建立一個(gè)管道.第一種方式有較高的效率，并且易于實(shí)現(xiàn)，代碼的可控制性較好，屬于常用的模式。第二種管道緩沖區(qū)不易控制，被傳輸數(shù)據(jù)對(duì)象不易于封裝等，實(shí)用性不強(qiáng)。因此本文只介紹同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)者/消費(fèi)者問題。同步問題核心在于：如何保證同一資源被多個(gè)線程并發(fā)訪問時(shí)的完整性。常用的同步方法是采用信號(hào)或加鎖機(jī)制，保證資源在任意時(shí)刻至多被一個(gè)線程訪問。Java語言在多線程編程上實(shí)現(xiàn)了完全對(duì)象化,提供了對(duì)同步機(jī)制的良好支持。在Java中一共有四種方法支持同步，其中前三個(gè)是同步方法，一個(gè)是管道方法。2．設(shè)計(jì)思路2。1。生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題是一種同步問題的抽象描述。2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的每個(gè)進(jìn)程都可以消費(fèi)或生產(chǎn)某類資源。當(dāng)系統(tǒng)中某一進(jìn)程使用某一資源時(shí)，可以看作是消耗，且該進(jìn)程稱為消費(fèi)者。2.3而當(dāng)某個(gè)進(jìn)程釋放資源時(shí)，則它就相當(dāng)一個(gè)生產(chǎn)者3.過程論述首先，生產(chǎn)者和消費(fèi)者可能同時(shí)進(jìn)入緩沖區(qū),甚至可能同時(shí)讀/寫一個(gè)存儲(chǔ)單元,將導(dǎo)致執(zhí)行結(jié)果不確定。這顯然是不允許的。所以，必須使生產(chǎn)者和消費(fèi)者互斥進(jìn)入緩沖區(qū)。即某時(shí)刻只允許一個(gè)實(shí)體（生產(chǎn)者或消費(fèi)者）訪問緩沖區(qū)，生產(chǎn)者互斥消費(fèi)者和其他任何生產(chǎn)者。其次,生產(chǎn)者不能向滿的緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)，消費(fèi)者也不能在空緩沖區(qū)中取數(shù)據(jù),即生產(chǎn)者與消費(fèi)者必須同步。當(dāng)生產(chǎn)者產(chǎn)生出數(shù)據(jù)，需要將其存入緩沖區(qū)之前，首先檢查緩沖區(qū)中是否有“空"存儲(chǔ)單元，若緩沖區(qū)存儲(chǔ)單元全部用完,則生產(chǎn)者必須阻塞等待，直到消費(fèi)者取走一個(gè)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)，喚醒它。若緩沖區(qū)內(nèi)有“空”存儲(chǔ)單元，生產(chǎn)者需要判斷此時(shí)是否有別的生產(chǎn)者或消費(fèi)者正在使用緩沖區(qū)，若是有，則阻塞等待,否則,獲得緩沖區(qū)的使用權(quán)，將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū),釋放緩沖區(qū)的使用權(quán).消費(fèi)者取數(shù)據(jù)之前,首先檢查緩沖區(qū)中是否存在裝有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元,若緩沖區(qū)為“空”,則阻塞等待，否則,判斷緩沖區(qū)是否正在被使用,若正被使用，若正被使用,則阻塞等待，否則,獲得緩沖區(qū)的使用權(quán),進(jìn)入緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)，釋放緩沖區(qū)的使用權(quán)。3。1系統(tǒng)流程圖3。1。1生產(chǎn)者流程圖： 3.1。2消費(fèi)者流程圖：3。1.3主程序流程圖：3。1.4生產(chǎn)者：ProducerThread//定義生產(chǎn)者線程 classProducerThreadimplementsRunnable{ intproductNo=0；//產(chǎn)品編號(hào) intid；//生產(chǎn)者ID publicProducerThread（intid）｛ this。id=id; ｝ publicvoidrun(）｛ while（isRun)｛ productNo++;//生產(chǎn)產(chǎn)品 buffers。put(productNo,id）;//將產(chǎn)品放入緩沖隊(duì)列 try｛ Thread.sleep(1000); }catch(Exceptione）｛ e.printStackTrace（）； } } ｝ }3.1.5消費(fèi)者ConsumerThread//定義消費(fèi)者線程 classConsumerThreadimplementsRunnable{ intid;//消費(fèi)者ID publicConsumerThread(intid）｛ this。id=id； } publicvoidrun（）{ while(isRun）{ buffers.get(id）;//從緩沖隊(duì)列中取出產(chǎn)品 try｛ Thread.sleep（1000)； }catch（Exceptione）{ e。printStackTrace()； ｝ } ｝ }3。1.6緩沖區(qū)BufferclassBuffer{ JTextAreata; staticfinalintproductBufferNum=10；//緩沖單元數(shù) ProductBufferpBuffer［]=newProductBuffer［productBufferNum]；//緩沖隊(duì)列 intin=0；//緩沖單元指針，用于放產(chǎn)品get(） intout=0；//緩沖單元指針，用于取產(chǎn)品put(） intconsumeProductNo；//記錄消費(fèi)產(chǎn)品的編號(hào) intusedBufferNum=0；//記錄緩沖隊(duì)列已使用的緩沖單元個(gè)數(shù) publicBuffer（JTextAreata){ this。ta=ta； //初始化 for(intj=0;j<productBufferNum；j++）｛ pBuffer[j］=newProductBuffer()； ｝ for（inti=0;i〈productBufferNum；i++）{ pBuffer［i].product=—1; pBuffer［i]。hasProduct=false； ｝ }//取產(chǎn)品 publicsynchronizedvoidget（intid）｛ //緩沖隊(duì)列空則等待 if(usedBufferNum〈=0）｛ try｛ super.wait(）； ｝catch（Exceptione）｛ e。printStackTrace(）； } } consumeProductNo=pBuffer[out].product;//取出產(chǎn)品 pBuffer[out］。product=0；//清空緩沖單元 pBuffer[out]。hasProduct=false；//置"無產(chǎn)品”標(biāo)識(shí) usedBufferNum--; //輸出本次取產(chǎn)品后緩沖隊(duì)列的情況 ta。append("消費(fèi)者"+id+”將產(chǎn)品"+consumeProductNo+”從緩沖單元"+out+”取出，緩沖隊(duì)列狀態(tài)如下：\n"）; printBuffer(）; out=(out+1）%productBufferNum;//更新指針 //喚醒等待線程 super。notify（); } //放產(chǎn)品 publicsynchronizedvoidput(intproductNo,intid）｛ //緩沖隊(duì)列滿則等待 if（usedBufferNum==productBufferNum){ try｛ super.wait(); ｝catch(Exceptione）｛ e.printStackTrace（）； ｝ ｝ pBuffer[in].product=productNo;//放產(chǎn)品 pBuffer[in］。hasProduct=true;//置“有產(chǎn)品”標(biāo)識(shí) usedBufferNum++; ///輸出本次放入產(chǎn)品后,緩沖隊(duì)列的情況 ta。append(”生產(chǎn)者”+id+"將產(chǎn)品"+productNo+”放入緩沖單元"+in+"，緩沖隊(duì)列狀態(tài)如下：\n”）; printBuffer（); in=(in+1）％productBufferNum;//更新指針 //喚醒等待線程 super.notify()； } //打印緩沖隊(duì)列當(dāng)前情況 privatevoidprintBuffer（){ ta.append(”緩沖單元編號(hào)產(chǎn)品編號(hào)緩沖單元狀態(tài)\n")； for（inti=0;i<productBufferNum；i++）{ ta。append（"\t”+i+"\t"+pBuffer[i].product+"\t"+pBuffer[i］。hasProduct+"\n"）； } ｝｝/＊一個(gè)緩沖單元*/classProductBuffer{ intproduct；//存放產(chǎn)品編號(hào) booleanhasProduct；//標(biāo)識(shí)該緩沖區(qū)是否有產(chǎn)品，true有產(chǎn)品，false無產(chǎn)品｝3.1.7圖形界面createUI publicvoidcreateUI（） { JFrameframe=newJFrame(”生產(chǎn)者消費(fèi)者”)； JPanelpanel=newJPanel（newBorderLayout（））； //ta。setBackground(Color。blue); JScrollPanescrPane=newJScrollPane（ta)； panel。add(scrPane，BorderLayout。CENTER); JButtonbutton=newJButton（”停止"）; button。addActionListener(this); panel.add(button,BorderLayout.SOUTH）； panel.setBackground（Color。BLUE）； frame.add(panel)； frame.setVisible(true）； frame。setSize(1000，500）； frame.setDefaultCloseOperation(JFrame。EXIT_ON_CLOSE）; ｝3。1。8事件驅(qū)動(dòng)actionPerformed//按鈕響應(yīng)事件 publicvoidactionPerformed（ActionEvente)｛ isRun=false；//控制線程結(jié)束 System。out。println(”停止"）; ｝4。結(jié)果分析運(yùn)行主程序得到一個(gè)GUI窗口，在文本域中輸出結(jié)果，一共10個(gè)緩沖單元,三個(gè)生產(chǎn)者隨機(jī)生產(chǎn)產(chǎn)品依次從0編號(hào)的緩沖區(qū)放入產(chǎn)品,消費(fèi)者按照生產(chǎn)的先后順序消費(fèi)產(chǎn)品。當(dāng)緩沖單元有產(chǎn)品時(shí)，狀態(tài)欄顯示true，否則顯示false。并且當(dāng)消費(fèi)者取走產(chǎn)品后，產(chǎn)品編號(hào)會(huì)變成0。5.結(jié)論這次生產(chǎn)者與消費(fèi)者之間的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)我用Java語言編寫的，用關(guān)鍵字synchronized來實(shí)現(xiàn)多個(gè)線程同步,用繼承Thread來將生產(chǎn)者線程與消費(fèi)者線程實(shí)例化.其實(shí)，在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)之前我的Java語言編程老師講過這些知識(shí)，正好可以鞏固Java的一些知識(shí)。我還學(xué)過C++語言，這是大一下學(xué)期學(xué)的事了，我想要實(shí)現(xiàn)書上的P、V操作可以用C++語言來編寫。

總之，通過該實(shí)驗(yàn)我更加清楚的認(rèn)識(shí)到生產(chǎn)者與消費(fèi)者這個(gè)經(jīng)典問題實(shí)際上是線程同步問題的抽象描述，即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的每個(gè)進(jìn)程都可以消費(fèi)（使用）或生產(chǎn)(釋放）數(shù)據(jù)，進(jìn)程釋放數(shù)據(jù)相當(dāng)于生產(chǎn)者，使用數(shù)據(jù)相當(dāng)于消費(fèi)者。從Java的多線程機(jī)制出發(fā),研究了操作系統(tǒng)中經(jīng)典的同步問題-生產(chǎn)者消費(fèi)者問題，提出了兩種解決此問題的模型,及其Java解決方案.提出的兩個(gè)模型充分利用了Java中面向?qū)ο蠛凸艹虣C(jī)制，模擬了操作系統(tǒng)中進(jìn)程同步的經(jīng)典問題—生產(chǎn)者消費(fèi)者問題。在第一個(gè)模型中，我們按照生產(chǎn)者消費(fèi)者問題典型的解決方案給出了Java解決模型；在第二個(gè)模型中，我們分析了信號(hào)量mutex在問題中所起的作用,并為了提高緩沖區(qū)讀寫的效率,提出了將信號(hào)量mutex分為兩個(gè)分別控制生產(chǎn)者和消費(fèi)者的信號(hào)量,并討論了此方案的可行性.參考文獻(xiàn)《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)》湯子瀛哲鳳屏湯小丹主編西安電子科技大學(xué)出版社《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)概論》陳宏楊忠耀主編重慶郵電大學(xué)出版社《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)基本知識(shí)》廖成崔陽主編電子工業(yè)出版社《操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)》陸剛望能主編電子工業(yè)出版社《java程序語言設(shè)計(jì)》丁振凡主編，薛清華副主編清華大學(xué)出版社致謝本組全體成員在此向所有關(guān)心我們的及幫助我們的老師和同學(xué)們致以最真誠的感謝。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，尤其要感謝楊傳健老師，對(duì)我們的課程設(shè)計(jì)時(shí)刻的關(guān)注，當(dāng)我們遇到困難時(shí)給了我們很大的幫助，交給了我們團(tuán)隊(duì)的合作理念,使得我們能夠按時(shí)完成這次的課程設(shè)計(jì).學(xué)生簽名：填表日期:年月日附錄importjava.awt.BorderLayout;importjava。awt。Color;importjava。awt.event.ActionEvent;importjava.awt。event.ActionListener;importjavax。swing。JButton；importjavax。swing.JFrame;importjavax.swing.JPanel;importjavax.swing。JScrollPane；importjavax。swing。JTextArea；//importProducer_and_Customer.ConsumerThread;//importProducer_and_Customer。ProducerThread;/*＊定義臨界資源:緩沖隊(duì)列*＊/classBuffer｛ JTextAreata; staticfinalintproductBufferNum=10;//緩沖單元數(shù) ProductBufferpBuffer[]=newProductBuffer［productBufferNum]；//緩沖隊(duì)列 intin=0;//緩沖單元指針,用于放產(chǎn)品get(） intout=0；//緩沖單元指針，用于取產(chǎn)品put(） intconsumeProductNo；//記錄消費(fèi)產(chǎn)品的編號(hào) intusedBufferNum=0；//記錄緩沖隊(duì)列已使用的緩沖單元個(gè)數(shù) publicBuffer（JTextAreata）{ this.ta=ta； //初始化 for(intj=0；j〈productBufferNum；j++）{ pBuffer［j］=newProductBuffer（); ｝ for(inti=0;i<productBufferNum；i++){ pBuffer[i].product=-1； pBuffer［i]。hasProduct=false； ｝ ｝//取產(chǎn)品 publicsynchronizedvoidget（intid){ //緩沖隊(duì)列空則等待 if(usedBufferNum〈=0）{ try{ super。wait(）; }catch（Exceptione）{ e.printStackTrace（); ｝ } consumeProductNo=pBuffer［out].product;//取出產(chǎn)品 pBuffer［out].product=0;//清空緩沖單元 pBuffer[out].hasProduct=false；//置”無產(chǎn)品”標(biāo)識(shí) usedBufferNum--; //輸出本次取產(chǎn)品后緩沖隊(duì)列的情況 ta。append(”消費(fèi)者"+id+”將產(chǎn)品”+consumeProductNo+"從緩沖單元”+out+"取出，緩沖隊(duì)列狀態(tài)如下:\n”)； printBuffer()； out=(out+1）%productBufferNum;//更新指針 //喚醒等待線程 super.notify()； } //放產(chǎn)品 publicsynchronizedvoidput（intproductNo，intid）{ //緩沖隊(duì)列滿則等待 if(usedBufferNum==productBufferNum)｛ try｛ super。wait(); ｝catch（Exceptione)｛ e.printStackTrace(); } } pBuffer［in］.product=productNo；//放產(chǎn)品 pBuffer[in].hasProduct=true;//置“有產(chǎn)品”標(biāo)識(shí) usedBufferNum++; ///輸出本次放入產(chǎn)品后，緩沖隊(duì)列的情況 ta。append（”生產(chǎn)者”+id+”將產(chǎn)品”+productNo+”放入緩沖單元"+in+”，緩沖隊(duì)列狀態(tài)如下：\n"）； printBuffer（); in=(in+1)%productBufferNum;//更新指針 //喚醒等待線程 super。notify（）； } //打印緩沖隊(duì)列當(dāng)前情況 privatevoidprintBuffer(）｛ ta。append(”緩沖單元編號(hào)產(chǎn)品編號(hào)緩沖單元狀態(tài)\n"）； for(inti=0;i<productBufferNum;i++）{ ta.append(”\t"+i+”\t"+pBuffer[i］.product+”\t”+pBuffer［i］.hasProduct+”\n"）； } ｝}/＊一個(gè)緩沖單元＊/classProductBuffer{ intproduct;//存放產(chǎn)品編號(hào) booleanhasProduct;//標(biāo)識(shí)該緩沖區(qū)是否有產(chǎn)品，true有產(chǎn)品,false無產(chǎn)品｝/＊＊生產(chǎn)者消費(fèi)者問題實(shí)現(xiàn)(可以有多個(gè)生產(chǎn)者消費(fèi)者)**/publicclassProducer_and_CustomerimplementsActionListener｛ privateJPaneljp[］=newJPanel[10]; booleanisRun=true； //用于控制線程結(jié)束 JTextAreata=newJTextArea()； Bufferbuffers=newBuffer（ta）；//緩沖隊(duì)列 staticfinalintproducerNum=3;//生產(chǎn)者個(gè)數(shù) staticfinalintconsumerNum=3;//消費(fèi)者個(gè)數(shù) ProducerThreadproThread[］=newProducerThread[producerNum］； ConsumerThreadconThread［]=newConsumerThread［consumerNum]; Threadproducer［]=newThread[producerNum］; Threadconsumer［]=newThread［consumerNum]; publicProducer_and_Customer(){ createUI（)； //createNewUI（）； //創(chuàng)建多個(gè)生產(chǎn)者和消費(fèi)者線程并開始執(zhí)行 for（inti=0；i〈producerNum;i++){ proThread[i]=newProducerThread（i+1）； producer[i]=newThread（proThread［i］）； producer[i］.start(）； } for（intj=0;j〈consumerNum；j++）｛ conThread[j]=newConsumerThread（j+1)； consumer［j]=newThread（conThread[j]); consumer[j].start（); } ｝ privatevoidcreateNewUI（）{ JFrameframe=newJFrame（”Leo”); ｝ //創(chuàng)建界面 publicvoidcreateUI（） ｛ JFrameframe=newJFrame("生產(chǎn)者消費(fèi)者”); JPanelpanel=newJPanel(newBorderLayout()); //ta.setBackground（Color.blue); JScrollPanescrPane=newJScrollPane(ta); panel.add（scrPane，BorderLayout。CENTER); JButtonbutton=newJButton(”停止”)； button。addActionListener（this); panel.add（button，BorderLayout.SOUTH）; panel.setBackground(Color。BLUE)； frame.add（panel）； frame.setVisible（true）； frame。setSize（100