操作系統(tǒng)課程設計生產者消費者問題范本

1、年4月19日操作系統(tǒng)課程設計生產者消費者問題文檔僅供參考操作系統(tǒng)課 程 設 計 題 目：“生產者-消費者”問題學 院：信 息 工 程 學 院 專 業(yè)：計算機科學與技術 班 級： 計科1302 姓 名： 施 勝 飛 指導老師： 徐 向 英 1月 15日目錄一、課程設計目標2課題內容2 1實驗目的2 2、實驗環(huán)境2 3、實驗要求2設計思路3 1.信號量的設置3 2.系統(tǒng)結構4 3.程序流程圖5 4.P V操作代碼6源代碼7運行與測試10心得體會12課程設計目標 學習System V的進程間通信機制，使用信號量和共享內存實現(xiàn)經典進程同步問題“生產者-消費者”問題。具體要求：1.創(chuàng)立信號量集，實現(xiàn)同步

2、互斥信號量。2.創(chuàng)立共享內存，模擬存放產品的公共緩沖池。3.創(chuàng)立并發(fā)進程，實現(xiàn)進程對共享緩沖池的并發(fā)操作。課題內容1實驗目的（1）掌握基本的同步互斥算法，理解生產者和消費者同步的問題模型。（2）了解linux中多線程的并發(fā)執(zhí)行機制，線程間的同步和互斥。2、實驗環(huán)境：C/C+語言編譯器3、實驗要求（1）創(chuàng)立生產者和消費者線程在linux環(huán)境下，創(chuàng)立一個控制臺進程，在此進程中創(chuàng)立n個線程來模擬生產者或者消費者。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）生產和消費的規(guī)則在按照上述要求創(chuàng)立線程進行相應的讀寫操作時，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，某一生產者生產一個產品后，可能不止一個消費者，或者一個消費者多次地請求消費該產品。此時，只有當所有的消費需求都被滿足以后，該產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者使用。每個消費者線程的各個消費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者線程，該線程請求消費1，2，4號生產者線程生產的產品。而這種消費是有嚴格順序的，消費1號線程產品的請求得到滿足后才能繼續(xù)往下請求2號生產者線程的產品。要求在每個線程發(fā)出讀寫操作申請、開始讀寫操作和結束讀寫操作時分別顯示提示信息。（3）相關基礎知識

4、 本實驗所使用的生產者和消費者模型具有如下特點： 本實驗的多個緩沖區(qū)不是環(huán)形循環(huán)的，也不要求按順序訪問。生產者能夠把產品放到當前某一個空緩沖區(qū)中。 消費者只消費指定生產者的產品。 在測試用例文件中指定了所有的生產和消費的需求，只有當共享緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)滿足了所有關于它的消費需求后，此共享緩沖區(qū)才能夠作為空閑空間允許新的生產者使用。 本實驗在為生產者分配緩沖區(qū)時各生產者間必須互斥，此后各個生產者的具體生產活動能夠并發(fā)。而消費者之間只有在對同一產品進行消費時才需要互斥，同時它們在消費過程結束時需要判斷該消費對象是否已經消費完畢并清除該產品。linux用來實現(xiàn)同步和互斥的實體。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，隨即進入臨界區(qū)，這一步對應于互斥量的上鎖；最后釋放該同步對象，這對應于互斥量的解鎖。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，從而實現(xiàn)同步互斥。設計思路1.信號量的設置生產者進程與消費者進程是經典的同步互斥關系。系統(tǒng)創(chuàng)立兩類進程：proceducer ()和consumer()，分別用來描述生產者和消費者的行為。生產者與消費者問題是指若干進程經過循環(huán)緩沖池區(qū)交換數(shù)據(jù)。如下圖所示，生產者進程不斷向循環(huán)緩沖池區(qū)中寫入

6、數(shù)據(jù)（即生產數(shù)據(jù)），而消費者進程不斷從循環(huán)緩沖池區(qū)中讀出數(shù)據(jù)（即消費數(shù)據(jù)）。循環(huán)緩沖池共有N個緩沖區(qū)，緩沖區(qū)能夠暫存一個產品，任何時刻只能有一個進程課對循環(huán)緩沖池進行操作。所有生產者和消費者要協(xié)調工作，以完成數(shù)據(jù)的交換。只要有空緩沖區(qū)，生產者就能夠把產品送入緩沖區(qū)；只要有滿緩沖區(qū)，消費者就能夠從緩沖區(qū)中取走物品。為了解決生產者和消費者問題，應該設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： 生產者指針，初值均為0；out： 消費者指針，均為0；mutex：緩沖區(qū)操作的互斥信號量，初值為12.系統(tǒng)結構PCB* readyhe

7、ad=NULL, * readytail=NULL; / 就緒隊列鏈表結構PCB* consumerhead=NULL, * consumertail=NULL; / 消費者隊列PCB* producerhead=NULL, * producertail=NULL; / 生產者隊列processproc() 給PCB分配內存，產生相應的的進程Pempty() 如果緩沖區(qū)滿，該進程進入生產者等待隊列；linkqueue(exe,&producertail); / 把就緒隊列里的進程放入生產者隊列的尾部執(zhí)行順序：Main()emptyinfulloutfinish當緩沖池為空時，生產者生產產品in

8、緩沖池 in=in+1當緩沖池為滿時，消費者消費產品out緩沖池 out=out+13. 程序流程圖生產者線程開始資源信號量P操作生產者線程開始資源信號量P操作互斥信號量P操作生產一個產品把產品送入緩沖區(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者線程等待隊列中有消費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過未經過經過經過喚醒對頭的消費者線程喚醒對頭的消費者線程生產者線程結束YYNN消費者線程開始消費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)取出一個產品消費一個產品互斥信號量V操作資源信號量V操作等待隊列中有生產者線程等待隊列中有生產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過未經過經過經過喚醒對頭的生產者線程喚醒對頭的生產者線程消費者線程結束YYNN圖二 消費者流程結構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 /定義一個隨機函數(shù)來生產產品，而且使兩個顧產品間的時間少于10秒

11、 int long waiting(0); /正在等待的產品的數(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); /產品的號碼數(shù) int finish(0); /生產完畢的產品數(shù)目 DWORD a; void proceduce() Sleep (10000); cout緩沖區(qū)已空 !endl; /生產者生產產品函數(shù)，用時10秒 void getconsum() Sleep (10001); /產品被生產的函數(shù)，為了合理區(qū)分生產產品 cout第finish個產品被消費,取出 endl; HANDLE M

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

13、個產品生產了 endl; if (waitingbuffer) /如果緩沖池還有空位 if (waiting!=0) cout此時有waiting+1 個產品等待消費endl; else cout沒有產品在等待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)，產品已經進入endl; ReleaseSemaphore(consum,1,NULL);/v(consumer) ResumeThread(consum);/喚醒生產者進程 ReleaseMutex(Mutex);/釋放互斥量，以便其它線程使用 WaitForS

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

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

16、outendl*對不起，緩沖區(qū)滿！*endl; cout緩沖區(qū)已空，生產產品?Y/Nempty; HANDLE hThread1; HANDLE hThread2; hThread2=:CreateThread (NULL,0,proceducers,NULL,0,NULL); /產生一個生產者進程 while(full!=y) Sleep(random); /產品隨機進入 hThread1=:CreateThread(NULL,0,consum,NULL,a,NULL); coutendl*緩沖區(qū)已空，請繼續(xù)生產*=10&waiting=0) /如果完成數(shù)超過10而且沒有人等待 cout已經為finish個產品了，要停止生產嗎?full; return full; else ; if (full=y) cout*對不起，緩沖區(qū)已滿*endl; return 0; 運行與測試緩沖區(qū)空位總數(shù)目為1時運行結果截圖：緩沖區(qū)空位總數(shù)目為0和3時運行結果截圖（其余部分如上當緩沖區(qū)空位總數(shù)目為1時的截圖）心得體會本次