操作系统生产者与消费者课程设计.doc

操作系统课程设计生产者和消费者问题系 院：计算机科学系学生姓名：韩旭学 号：0734110131专 业：计算机科学与技术年 级：0701B完成日期：2009年11月指导教师：刘栓一、课程设计的性质与任务1、生产者-消费者问题是很经典很具有代表性的进程同步问题，计算机中的很多同步问题都可抽象为生产者-消费者问题，通过本实验的练习，希望能加深学生对进程同步问题的认识与理解。2、熟悉VC的使用，培养和提高学生的分析问题、解决问题的能力。二、课程设计的内容及其要求1 实验内容以生产者/消费者模型为依据，在Windows 2000环境下创建一个控制台进程，在该进程中创建n个线程模拟生产者和消费者，实现进程(线程)的同步与互斥。2 实验要求l 学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则；l 学习了解Windows同步对象及其特性；l 熟悉实验环境，掌握相关API的使用方法；l 设计程序，实现生产者/消费者进程(线程)的同步与互斥；l 提交实验报告。三、课程设计的时间安排1、分析问题，给出数学模型，选择数据结构，2课时四、课程设计的实验环境本实验是在win2000VC6.0环境下实现的，利用Windows SDK编制实例程序。所以试验需要在windows下安装VC后进行。VC是一个集成开发环境，其中包含了Windows SDK所有工具和定义；所以安装了VC后就不用特意安装SDK了。五、正文1、 实验程序的结构图（流程图）；2、数据结构及信号量定义的说明；(1) CreateThreadl 功能创建一个在调用进程的地址空间中执行的线程l 格式HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,DWORD dwStackSize,LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,LPVOID lpParamiter,DWORD dwCreationFlags,Lpdword lpThread );l 参数说明lpThreadAttributes指向一个LPSECURITY_ATTRIBUTES(新线程的安全性描述符)。dwStackSize定义原始堆栈大小。lpStartAddress指向使用LPTHRAED_START_ROUTINE类型定义的函数。lpParamiter定义一个给进程传递参数的指针。dwCreationFlags定义控制线程创建的附加标志。lpThread保存线程标志符(32位)(2) CreateMutexl 功能创建一个命名或匿名的互斥量对象l 格式HANDLE CreateMutex(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,BOOL bInitialOwner,LPCTSTR lpName);l 参数说明lpMutexAttributes必须取值NULL。bInitialOwner指示当前线程是否马上拥有该互斥量(即马上加锁)。lpName互斥量名称。(3) CreateSemaphorel 功能创建一个命名或匿名的信号量对象l 格式HANDLE CreateSemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, LONG lInitialCount, LONG lMaximumCount, LPCTSTR lpName );l 参数说明lpSemaphoreAttributes必须取值NULL。lInitialCount信号量的初始值。该值大于0，但小于lMaximumCount指定的最大值。lMaximumCount信号量的最大值。lpName信号量名称。(4) WaitForSingleObjectl 功能使程序处于等待状态，直到信号量hHandle出现(即其值大于等于1)或超过规定的等待时间l 格式DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle, DWORD dwMilliseconds);l 参数说明hHandle信号量指针。dwMilliseconds等待的最长时间(INFINITE为无限等待)。(5) ReleaseSemaphorel 功能对指定信号量加上一个指定大小的量。成功执行则返回非0值l 格式BOOL ReleaseSemaphore(HANDLE hSemaphore,LONG lReleaseCount,LPLONG lppreviousCount );l 参数说明hSemaphore信号量指针。lReleaseCount信号量的增量。lppreviousCount保存信号量当前值。(6) ReleaseMutexl 功能打开互斥锁，即把互斥量加1。成功调用则返回0l 格式BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex);l 参数说明hMutex互斥量指针。(7) InitializeCriticalSectionl 功能初始化临界区对象l 格式VOID InitializeCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);l 参数说明lpCriticalSection指向临界区对象的指针。(8) EnterCriticalSectionl 功能等待指定临界区对象的所有权l 格式VOID enterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);l 参数说明lpCriticalSection指向临界区对象的指针。(9) LeaveCriticalSectionl 功能释放指定临界区对象的所有权l 格式VOID LeaveCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);l 参数说明lpCriticalSection指向临界区对象的指针。3、实验的步骤；(1) 打开VC，选择菜单项file-new,选择projects选项卡并建立一个名为 R_WP1的win32 console applicatoin工程；创建时注意指定创建该工程的目录；(2) 在工程中创建源文件 R_WP1.cpp：选择菜单项project-add to project-files，在选择框中输入自己想要创建的文件名，这里是 R_WP1.cpp；在接下来询问是否创建新文件时回答yes；然后通过Workspace-FileView-Source Files打开该文件，在其中编辑源文件并保存.(3) 通过调用菜单命令项build-build all进行编译连接,可以在指定的工程目录下得到debug- R_WP1.exe程序，然后把给定的test.txt文件存入该debug目录下，就可以在控制台进入该debug目录运行程序了。需要强调的是在创建数据文件时，由于涉及到文件格式问题，最好在记事本中手工逐个输入数据，而不要拷贝粘贴数据。4、实验源程序；#include#include#include#include#include/定义一些常量；/本程序允许的最大临界区数；#define MAX_BUFFER_NUM10/秒到微秒的乘法因子；#define INTE_PER_SEC 1000/本程序允许的生产和消费线程的总数；#define MAX_THREAD_NUM 64/定义一个结构，记录在测试文件中指定的每一个线程的参数struct ThreadInfointserial;/线程序列号charentity; /是P还是Cdoubledelay;/线程延迟intthread_requestMAX_THREAD_NUM; /线程请求队列intn_request;/请求个数;/全局变量的定义/临界区对象的声明,用于管理缓冲区的互斥访问；CRITICAL_SECTIONPC_CriticalMAX_BUFFER_NUM;int Buffer_CriticalMAX_BUFFER_NUM; /缓冲区声明，用于存放产品；HANDLE h_ThreadMAX_THREAD_NUM; /用于存储每个线程句柄的数组；ThreadInfoThread_InfoMAX_THREAD_NUM; /线程信息数组；HANDLEempty_semaphore; /一个信号量；HANDLEh_mutex; /一个互斥量；DWORDn_Thread = 0; /实际的线程的数目；DWORDn_Buffer_or_Critical; /实际的缓冲区或者临界区的数目；HANDLEh_SemaphoreMAX_THREAD_NUM; /生产者允许消费者开始消费的信号量；/生产消费及辅助函数的声明void Produce(void *p);void Consume(void *p);bool IfInOtherRequest(int);int FindProducePositon();int FindBufferPosition(int);int main(void)/声明所需变量；DWORDwait_for_all;ifstreaminFile;/初始化缓冲区；for(int i=0;i MAX_BUFFER_NUM;i+)Buffer_Criticali = -1;/初始化每个线程的请求队列；for(int j=0;jMAX_THREAD_NUM;j+)for(int k=0;kMAX_THREAD_NUM;k+)Thread_Infoj.thread_requestk = -1;Thread_Infoj.n_request = 0;/初始化临界区；for(i =0;i n_Buffer_or_Critical;inFile.get();printf(输入文件是:n);/回显获得的缓冲区的数目信息；printf(%d n,(int) n_Buffer_or_Critical);/提取每个线程的信息到相应数据结构中；while(inFile)inFile Thread_Infon_Thread.serial;inFile Thread_Infon_Thread.entity;inFile Thread_Infon_Thread.delay;char c;inFile.get(c);while(c!=n& !inFile.eof() inFile Thread_Infon_Thread.thread_requestThread_Infon_Thread.n_request+; inFile.get(c);n_Thread+; /回显获得的线程信息，便于确认正确性；for(j=0;j(int) n_Thread;j+)int Temp_serial = Thread_Infoj.serial;char Temp_entity = Thread_Infoj.entity;double Temp_delay = Thread_Infoj.delay;printf( n thread%2d %c %f ,Temp_serial,Temp_entity,Temp_delay);int Temp_request = Thread_Infoj.n_request;for(int k=0;kTemp_request;k+)printf( %d , Thread_Infoj.thread_requestk);coutendl;printf(nn); /创建在模拟过程中几个必要的信号量empty_semaphore=CreateSemaphore(NULL,n_Buffer_or_Critical,n_Buffer_or_Critical, semaphore_for_empty);h_mutex= CreateMutex(NULL,FALSE,mutex_for_update);/下面这个循环用线程的ID号来为相应生产线程的产品读写时所/使用的同步信号量命名；for(j=0;j(int)n_Thread;j+) std:string lp =semaphore_for_produce_;int temp =j;while(temp)char c = (char)(temp%10);lp+=c;temp/=10;h_Semaphorej+1=CreateSemaphore(NULL,0,n_Thread,lp.c_str();/创建生产者和消费者线程；for(i =0;i (int) n_Thread;i+)if(Thread_Infoi.entity =P)h_Threadi= CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Produce),&(Thread_Infoi),0,NULL);else h_Threadi=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Consume),&(Thread_Infoi),0,NULL);/主程序等待各个线程的动作结束；wait_for_all = WaitForMultipleObjects(n_Thread,h_Thread,TRUE,-1);printf( n nALL Producer and consumer have finished their work. n);printf(Press any key to quit!n);_getch();return 0;/确认是否还有对同一产品的消费请求未执行；bool IfInOtherRequest(int req)for(int i=0;in_Thread;i+)for(int j=0;jThread_Infoi.n_request;j+)if(Thread_Infoi.thread_requestj = req)return TRUE;return FALSE;/找出当前可以进行产品生产的空缓冲区位置；intFindProducePosition()int EmptyPosition;for (int i =0;in_Buffer_or_Critical;i+)if(Buffer_Criticali = -1)EmptyPosition = i;/用下面这个特殊值表示本缓冲区正处于被写状态；Buffer_Criticali = -2;break;return EmptyPosition;/找出当前所需生产者生产的产品的位置；int FindBufferPosition(int ProPos)int TempPos;for (int i =0 ;iserial;m_delay = (DWORD)(ThreadInfo*)(p)-delay *INTE_PER_SEC);Sleep(m_delay);/开始请求生产printf(Producer %2d sends the produce require.n,m_serial);/确认有空缓冲区可供生产，同时将空位置数empty减1；用于生产者和消费者的同步；wait_for_semaphore= WaitForSingleObject(empty_semaphore,-1);/互斥访问下一个可用于生产的空临界区，实现写写互斥；wait_for_mutex = WaitForSingleObject(h_mutex,-1);int ProducePos = FindProducePosition(); ReleaseMutex(h_mutex);/生产者在获得自己的空位置并做上标记后，以下的写操作在生产者之间可以并发；/核心生产步骤中，程序将生产者的ID作为产品编号放入，方便消费者识别;printf(Producer %2d begin to produce at position %2d.n,m_serial,ProducePos);Buffer_CriticalProducePos = m_serial;printf(Producer %2d finish producing :n ,m_serial);printf( position %2d :%3d n ,ProducePos,Buffer_CriticalProducePos);/使生产者写的缓冲区可以被多个消费者使用，实现读写同步；ReleaseSemaphore(h_Semaphorem_serial,n_Thread,NULL);/消费者进程void Consume(void * p)/局部变量声明；DWORDwait_for_semaphore,m_delay;intm_serial,m_requestNum; /消费者的序列号和请求的数目；intm_thread_requestMAX_THREAD_NUM;/本消费线程的请求队列； /提取本线程的信息到本地；m