用多線程同步方法解決生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題操作系統(tǒng)課設(shè)

1、題目 學(xué)院 專業(yè) 班級 姓名 指導(dǎo)教師學(xué) 號：課程設(shè)計用多線程同步方法解決生產(chǎn)者消費(fèi) 者問題 (Producer-Consumer Problem)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院軟件工程目錄1.1.目錄 課程設(shè)計任務(wù)書正 文 21. 設(shè)計目的與要求 2.1.1 設(shè)計目的 2.1.2 設(shè)計要求 2.2. 設(shè)計思想及系統(tǒng)平臺 2.2.1 設(shè)計思想 2.2.2 系統(tǒng)平臺及使用語言 2.3. 詳細(xì)算法描述 3.4. 源程序清單 5.5. 運(yùn)行結(jié)果與運(yùn)行情況 1.06. 調(diào)試過程 1.3.7.總結(jié)1.3.本科生課程設(shè)計成績評定表錯. 誤！未定義書簽課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級：指導(dǎo)教師：工作單位： 計算機(jī)科學(xué)

2、與技術(shù)學(xué)院題目 : 用多線程同步方法解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問題(Producer-Consumer Problem)初始條件：1 操作系統(tǒng)： Linux2 程序設(shè)計語言： C 語言3 有界緩沖區(qū)內(nèi)設(shè)有 20 個存儲單元， 其初值為 0。放入取出的數(shù)據(jù)項按增序設(shè)定為120 這 20 個整型數(shù)。要求完成的主要任務(wù) : (包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要 求)1技術(shù)要求：1）為每個生產(chǎn)者消費(fèi)者產(chǎn)生一個線程，設(shè)計正確的同步算法2）每個生產(chǎn)者和消費(fèi)者對有界緩沖區(qū)進(jìn)行操作后， 即時顯示有界緩沖區(qū)的當(dāng)前全 部內(nèi)容、 當(dāng)前指針位置和生產(chǎn)者消費(fèi)者線程的自定義標(biāo)識符。3）生產(chǎn)者和消費(fèi)者各有兩個以上

3、。4）多個生產(chǎn)者或多個消費(fèi)者之間須共享對緩沖區(qū)進(jìn)行操作的函數(shù)代碼。2 設(shè)計說明書內(nèi)容要求：1） 設(shè)計題目與要求2） 總的設(shè)計思想及系統(tǒng)平臺、語言、工具等。3）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與模塊說明（功能與流程圖）4）給出用戶名、源程序名、目標(biāo)程序名和源程序及其運(yùn)行結(jié)果。要注明存儲各個程序及 其運(yùn)行結(jié)果的主機(jī) IP 地址和目錄。 ）5）運(yùn)行結(jié)果與運(yùn)行情況（提示 : （ 1）有界緩沖區(qū)可用數(shù)組實現(xiàn)。（ 2）編譯命令可用： cc -lpthread -o （ 3）多線程編程方法參見附件。 ） 3. 調(diào)試報告：1） 調(diào)試記錄2） 自我評析和總結(jié)上機(jī)時間安排：18 周一 五 08 ： 0 12 ： 00目標(biāo)文件名源文件名指

4、導(dǎo)教師簽名：年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名：正文1. 設(shè)計目的與要求1.1設(shè)計目的通過研究 Linux 的線程機(jī)制和信號量實現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者問題 （Producer-Consumer Problem） 的并發(fā)控制。1.2設(shè)計要求1）為每個生產(chǎn)者消費(fèi)者產(chǎn)生一個線程，設(shè)計正確的同步算法2）每個生產(chǎn)者 /消費(fèi)者對該存儲區(qū)進(jìn)行操作后，即時顯示該存儲區(qū)的全部內(nèi)容、當(dāng) 前指針位置和生產(chǎn)者 /消費(fèi)者線程的自定義標(biāo)識符。3）生產(chǎn)者和消費(fèi)者各有兩個以上。4）多個生產(chǎn)者 /消費(fèi)者之間須共享對存儲區(qū)進(jìn)行操作的函數(shù)代碼。2. 設(shè)計思想及系統(tǒng)平臺2.1設(shè)計思想在本問題中 ,共需要一個 Mutex 和兩個 Semaph

5、ore.其中 ,Mutex 是用來鎖定臨界區(qū)的 ,以解決對共享數(shù)據(jù) buffer 的互斥訪問問題 （無論是對 生成者還是對消費(fèi)者 ）;我們共需要兩個 Semaphore這, 是因為在本問題中共有兩個稀缺資源 . 第一種是非空這種資源 ,是在消費(fèi)者之間進(jìn)行競爭的 .第二種是非滿這種資源 ,是在生產(chǎn)者之間進(jìn)行競爭的 .所以,一般來說,需要鎖定臨界區(qū) ,就需要 Mutex;有幾種稀缺資源就需要幾個 Semaphore. 對稀缺資源的分析不能想當(dāng)然 .稀缺資源不一定是指被共享的資源 ,很多時候是指線程 會被阻塞的條件 （除了要進(jìn)臨界區(qū)被阻塞外 ）.在生產(chǎn)者消費(fèi)者問題中 ,消費(fèi)者會在緩沖區(qū)為空時被阻塞

6、,所以 非空是一種稀缺資源 ;需要設(shè)置一個信號量 consumer_semaphore初, 值設(shè)為 0; 生產(chǎn)者會在緩沖區(qū)為滿時被阻塞 ,所以非滿 也是一種稀缺資源 . 需要設(shè)置一個信號量 producer_semaphore初, 值設(shè)為 buffer 的大小 MAX_BUFFER2.2系統(tǒng)平臺及使用語言本課程設(shè)計在 Linux 操作系統(tǒng)下，使用 C 語言完成。用到的工具主要有 GCC 編 譯器和 VI 編輯器。3. 詳細(xì)算法描述共享數(shù)據(jù)：Semaphore buffer_mutex=1；Semaphore producer_semaphore=MAX_BUFFER；Semaphore con

7、sumer_semaphore=；0int bufferMAX_BUFFER;Producer線程的處理函數(shù)：while(1)Wait(producer_semaphore);Wait(buffer_mutex);Bufferpn=product; pn=(pn+1)%MAX_BUFFER;Signal(consumer_semaphore);Signal(buffer_mutex);Sleep();producer線程的處理函數(shù)流程圖如下：consumer線程的處理函數(shù) : while(1) Wait(consumer_semaphore); Wait(buffer_mutex); Cons

8、ume=buffercn; cn=(cn+1)%MAX_BUFFER; Signal(producer_semaphore); Signal(buffer_mutex);Sleep(); consumer線程的處理函數(shù)流程圖如下：4. 源程序清單用戶名： rj070126（ IP：192.168.2.254） 源程序名： /home/rj070126/pc.c 目標(biāo)程序名： /home/rj070126/pc 運(yùn)行結(jié)果： /home/rj070126/output.txt 源程序清單如下：#include#include#include#include#include #include #in

9、clude #include #include#include#define NUM_THREADS_P 5 /*define the number of producer*/ #define NUM_THREADS_C 5 /*define the number of consumer*/ #define MAX_BUFFER 20/*define the number of buffer*/#define RUN_TIME 20 /*define the run time*/ int bufferMAX_BUFFER; /*difine the buffer */ int produce_

10、pointer=0,consume_pointer=0;sem_t producer_semaphore,consumer_semaphore,buffer_mutex; pthread_t threads_pNUM_THREADS_P; /*producer*/ pthread_t threads_cNUM_THREADS_C; /*consumer*/FILE* fd;void *producer_thread(void *tid);void *consumer_thread(void *tid);void showbuf();void handler()int i;for(i=0;iNU

11、M_THREADS_P;i+) pthread_cancel(threads_pi);for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+) pthread_cancel(threads_ci);int main()int i;signal(SIGALRM,handler);fd=fopen(output.txt,w); /*open a file to save the result*/ sem_init(&producer_semaphore,0,MAX_BUFFER); /*set the value of semaphores*/ sem_init(&consumer_semaphore

12、,0,0);sem_init(&buffer_mutex,0,1);for(i=0;iMAX_BUFFER;i+)bufferi=0; /*initiate the buffer*/*create the threads*/for(i=0;iNUM_THREADS_P;i+) pthread_create(&threads_pi,NULL,(void*)producer_thread,(void*)(i+1);for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+) pthread_create(&threads_ci,NULL,(void*)consumer_thread,(void *)(i+

13、1);alarm(RUN_TIME); /*set time to run*/*wait the threads to exit*/for(i=0;iNUM_THREADS_P;i+) pthread_join(threads_pi,NULL);for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+) pthread_join(threads_ci,NULL);/*destroy the semaphores*/ sem_destroy(&producer_semaphore); sem_destroy(&consumer_semaphore);sem_destroy(&buffer_mutex)

14、;fclose(fd);return 0;void *producer_thread(void *tid)/*the thread can be canceled by other thread*/ pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL); while(1)sem_wait(&producer_semaphore);srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%2+1); /*one or two seconds to produce*/ while(produce_pointer+1)%2

15、0=consume_pointer);sem_wait(&buffer_mutex);bufferproduce_pointer=rand()%20+1; produce_pointer=(produce_pointer+1)%20;if(produce_pointer=0) /*if buffer was filled to the 19th*/printf(producer:%dpointer_p:%2dproduced:%2dn,(int)tid,19,buffer19);fprintf(fd,producer:%dpointer_p:%2dproduced:%2dn,(int)tid,

16、19,buffer19);elseprintf(producer:%dpointer_p:%2dproduced:%2dn,(int)tid,produce_pointer-1,bufferproduce_pointer-1);fprintf(fd,producer:%dpointer_p:%2dproduced:%2dn,(int)tid,produce_pointer-1,bufferproduce_pointer-1);showbuf();sem_post(&buffer_mutex);sem_post(&consumer_semaphore); /*inform the consume

17、r the buffer is notempty*/srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%5+1); /*wait a few seconds ,then continue producing*/ return (void*)0);void *consumer_thread(void *tid)/*the thread can be canceled by other thread*/ pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL); while(1)sem_wait(&consumer_s

18、emaphore); srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%2+1); /*one or two seconds to consume*/ sem_wait(&buffer_mutex);printf(consumer:%dpointer_c:%2dconsumed:%2dn,(int)tid,consume_pointer,bufferconsume_pointer);fprintf(fd,consumer:%dpointer_c:%2dconsumed:%2dn,(int)tid,consume_pointer,bufferconsume_

19、pointer);bufferconsume_pointer=0;consume_pointer=(consume_pointer+1)%20;showbuf();sem_post(&buffer_mutex);sem_post(&producer_semaphore);srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%5+1); /*wait a few seconds ,then continue consuming*/return (void*)0);/*show the content of buffer*/void showbuf()int i;

20、printf(buffer:);fprintf(fd,buffer:);for(i=0;iMAX_BUFFER;i+)printf(%2d ,bufferi);fprintf(fd,%2d ,bufferi); printf(nn); fprintf(fd,nn);5. 運(yùn)行結(jié)果與運(yùn)行情況程序運(yùn)行結(jié)果如下：producer:1 pointer_p: 0 produced:20 buffer:20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:3 pointer_p: 1 produced:13 buffer:20 13 0 0 0 0 0 0 0

21、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p: 2 produced: 6 buffer:20 13 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:4 pointer_p: 3 produced:14 buffer:20 13 6 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:5 pointer_p: 4 produced:20 buffer:20 13 6 14 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:2 pointer_

22、c: 0 consumed:20 buffer: 0 13 6 14 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:1 pointer_p: 5 produced:20buffer: 0 13 6 14 20 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:1 pointer_c: 1 consumed:13buffer: 0 0 6 14 20 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:3 pointer_c: 2 consumed: 6buffer: 0 0 0 14 20 20 0

23、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:4 pointer_c: 3 consumed:14buffer: 0 0 0 0 20 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:5 pointer_c: 4 consumed:20buffer: 0 0 0 0 0 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:3 pointer_p: 6 produced: 1buffer: 0 0 0 0 0 20 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p

24、: 7 produced:14buffer: 0 0 0 0 0 20 1 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:3 pointer_c: 5 consumed:20 buffer: 0 0 0 0 0 0 1 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:4 pointer_p: 8 produced: 6 buffer: 0 0 0 0 0 0 1 14 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:5 pointer_c: 6 consumed: 1 buffer: 0 0 0 0 0 0 0 14 6 0

25、0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:5 pointer_p: 9 produced: 8 buffer: 0 0 0 0 0 0 0 14 6 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:2 pointer_c: 7 consumed:14 buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 6 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:5 pointer_c: 8 consumed: 6 buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:1 pointer_p:10 pro

26、duced:18buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 18 0 0 0 0 0 0 0 0 0consumer:1 pointer_c: 9 consumed: 8buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p:11 produced:10buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 10 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:4 pointer_p:12 produced:10buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 10 10 0 0

27、 0 0 0 0 0 consumer:4 pointer_c:10 consumed:18buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 10 0 0 0 0 0 0 0 producer:3 pointer_p:13 produced: 3buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 10 3 0 0 0 0 0 0 consumer:3 pointer_c:11 consumed:10buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 3 0 0 0 0 0 0 consumer:2 pointer_c:12 consumed:10

28、buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 producer:1 pointer_p:14 produced: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 6 0 0 0 0 0 consumer:1 pointer_c:13 consumed: 3buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p:15 produced:18buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 18 0 0 0 0 co

29、nsumer:5 pointer_c:14 consumed: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 0 0 0 0 producer:1 pointer_p:16 produced: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 6 0 0 0 producer:3 pointer_p:17 produced:19buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 6 19 0 0 consumer:1 pointer_c:15 consumed:18buffer: 0 0 0

30、0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 19 0 0 producer:5 pointer_p:18 produced: 7buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 19 7 0 consumer:3 pointer_c:16 consumed: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 19 7 0 producer:4 pointer_p:19 produced:14buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 19 7 14 consumer:5 p

31、ointer_c:17 consumed:19buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7 14 consumer:4 pointer_c:18 consumed: 7buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 14 producer:1 pointer_p: 0 produced: 4buffer: 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 14 consumer:2 pointer_c:19 consumed:14buffer: 4 0 0 0 0 0 0 0 0

32、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:1 pointer_c: 0 consumed: 4buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0producer:2 pointer_p: 1 produced:15buffer: 0 15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:3 pointer_p: 2 produced:13buffer: 0 15 13 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p: 3 pr

33、oduced: 3buffer: 0 15 13 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0說明：“ producer:2”是指自定義標(biāo)號為 2的producer，“ pointer_p:3”是指該 producer的指針，“ produced:3”是指該producer在buffer3里寫入3，“ buffer: 0 15 13 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ”是指該producer進(jìn)行寫操作后存儲區(qū)的內(nèi)容。6. 調(diào)試過程通過這次課程設(shè)計 ,不但加深了對操作系統(tǒng)這們課程的認(rèn)識 ,而且還了解了操作系 統(tǒng)中使用信號量解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問題算法的實現(xiàn)。比如：用信號量解決生產(chǎn)者 消費(fèi)者問題時，可以通過一個有界緩沖區(qū) （用數(shù)組來實現(xiàn)，類似循環(huán)隊列 ）把生產(chǎn)者和 消費(fèi)者聯(lián)系起來。假定生產(chǎn)者和消費(fèi)者的優(yōu)先級是相同的，只要緩沖區(qū)未滿，生產(chǎn)者 就可以生產(chǎn)產(chǎn)品并將產(chǎn)品送入緩