生产者消费者问题模拟实现(z)

生产者-消费者实验1.1 实验目的和要求1.1.1 实验目的操作系统的基本控制和管理控制都围绕着进程展开，其中的复杂性是由于支持并发和并发机制而引起的。自从操作系统中引入并发程序设计后，程序的执行不再是顺序的，一个程序未执行完而另一个程序便已开始执行，程序外部的顺序特性消失，程序与计算不再一一对应。并发进程可能是无关的，也可能是交互的。然而，交互的进程共享某些变量，一个进程的执行可能会影响其他进程的执行结果，交互的并发进程之间具有制约关系、同步关系。其中典型模型便是生产者-消费者模型。本实验通过编写和调试生产者-消费者模拟程序，进一步认识进程并发执行的实质，加深对进程竞争关系，协作关系的理解，掌握使用信号量机制与P、V操作来实现进程的同步与互斥。1.1.2 实验要求1用高级语言编写一个程序，模拟多个生产者进程和多个消费者进程并发执行，并采用信号量机制与P、V操作实现进程间同步与互斥。2撰写实验报告，报告应包含以下内容：（1） 实验目的；（2） 实验内容；（3） 设计思路；（4） 程序流程图；（5） 程序中主要数据结构和函数说明；（6） 带注释的源程序代码；（7） 程序运行结果及分析；（8） 实验收获与体会。1.2 预备知识1.2.1 生产者消费者问题生产者消费者问题表述如下：如图3.1所示，有n个生产者和m个消费者，连接在具有k个单位缓冲区的有界环状缓冲上，故又称有界缓冲问题。生产者不断生成产品，只要缓冲区未满，生产者进程pi所生产的产品就可投入缓冲区；类似的，只要缓冲区非空，消费者进程cj就可以从缓冲区取走并消耗产品。图 3.1 生产者消费者问题示意图著名的生产者消费者问题（producer-consumer problem）是计算机操作系统中并发进程内在关系的一种抽象，是典型的进程同步问题。在操作系统中，生产者进程可以是计算进程、发送进程，而消费者进程可以是打印进程、接收进程等，解决好生产者消费者问题就解决了一类并发进程的同步问题。操作系统实现进程同步的机制称为同步机制，它通常由同步原语组成。不同的同步机制采用不同的同步方法，迄今已设计出多种同步机制，本实验采用最常用的同步机制：信号量及PV操作。1.2.2 信号量与PV操作1965年，荷兰计算机科学家E.W.Dijkstra提出新的同步工具信号量和PV操作，他将交通管制中多种颜色的信号灯管理方法引入操作系统，让多个进程通过特殊变量展开交互。一个进程在某一关键点上被迫停止直至接收到对应的特殊变量值，通过这一措施任何复杂的进程交互要求均可得到满足，这种特殊变量就是信号量（semaphore）。为了通过信号量传送信号，进程可利用P和V两个特殊操作来发送和接收信号，如果协作进程的相应信号仍未到达，则进程被挂起直至信号到达为止。在操作系统中用信号量表示物理资源的实体，它是一个与队列有关的整型变量。具体实现时，信号量是一种变量类型，用一个记录型数据结构表示，有两个分量：一个是信号量的值，另一个是信号量队列的指针。信号量在操作系统中主要用于封锁临界区、进程同步及维护资源计数。除了赋初值之外，信号量仅能由同步原语PV对其操作，不存在其他方法可以检查或操作信号量，PV操作的不可分割性确保执行的原子性及信号量值的完整性。利用信号量和PV操作即可解决并发进程竞争问题，又可解决并发进程协作问题。信号量按其用途可分为两种：公用信号量，联系一组并发进程，相关进程均可在此信号量上执行PV操作，用于实现进程互斥；私有信号量，联系一组并发进程，仅允许此信号量所拥有的进程执行P操作，而其他相关进程可在其上执行V操作，初值往往为0或正整数，多用于并发进程同步。信号量的定义为如下数据结构：typedef struct semaphore int value; /信号量的值 struct pcb *list; /信号量队列的指针 信号量说明： semaphore s;P、V操作原语描述如下：（1） P(s)：s.value-；若s.value0，则执行P(s)的进程继续执行；若s.value0 ，则执行V(s)的进程继续执行； 1.2.3 信号量实现互斥信号量和PV操作可用来解决进程互斥问题。为使多个进程能互斥地访问某临界资源，只需为该资源设置一互斥信号量mutex，并置初值为1，然后将各进程访问该资源的临界区置于P(mutex)和V(mutex)操作之间即可。用信号量和PV操作管理并发进程互斥进入临界区的一般形式为：semaphore mutex;mutex = 1;cobeginprocess Pi() /*i = 1,2, ，n */P(mutex);/*临界区*/V(mutex);coend当有进程在临界区中时，mutex的值为0或负值，否则mutex值为1，因为只有一个进程，可用P操作把mutex减至0，故可保证互斥操作，这时试图进入临界区的其它进程会因执行P(mutex)而被迫等待。mutex的取值范围是1-(n-1)，表明有一个进程在临界区内执行，最多有n-1个进程在信号量队列中等待。1.2.4 信号量解决生产者消费者问题信号量和PV操作不仅可以解决进程互斥问题，而且是实现进程同步的有力工具。在协作进程之间，一个进程的执行依赖于协作进程的信息或消息，在尚未得到来自协作进程的信号或消息时等待，直至信号或消息到达时才被唤醒。生产者消费者问题是典型的进程同步问题，对于生产者进程：生产一个产品，当要送入缓冲区时，要检查是否有空缓冲区，若有，则可将产品送入缓冲区，并通知消费者进程；否则，等待；对于消费者进程：当它去取产品时，要看缓冲区中是否有产品可取，若有则取走一个产品，并通知生产者进程，否则，等待。这种相互等待，并互通信息就是典型的进程同步。因此应该设两个同步信号量：信号量empty表示可用的空缓冲区的数目，初值为k；信号量full表示可以使用产品的数目，初值为。缓冲区是一个临界资源，必须互斥使用，所以另外还需要设置一个互斥信号量mutex，其初值为。用信号量机制解决生产者消费者问题可描述如下：item Bk;semaphore empty;empty=k; /可以使用的空缓冲区数semaphore full; full=0; /缓冲区内可以使用的产品数semaphore mutex;mutex=1; /互斥信号量int in=0; /放入缓冲区指针int out=0; /取出缓冲区指针cobeginprocess producer_i() process consumer() While(true) While(true) produce(); P(full);P(empty); P(mutex);P(mutex); take from Bout;append to Bin; out = (out+1)%k;in = (in+1)%k; V(mutex);V(mutex); V(empty);V(full); consume(); Coend程序中的P(mutex)和V(mutex)必须成对出现，夹在两者之间的代码段是临界区；施加于信号量empty和full上的PV操作也必须成对出现，但分别位于不同的程序中。在生产者消费者问题中，P操作的次序是很重要的，如果把生产者进程中的两个P操作交换次序，那么，当缓冲区中存满k件产品时，生产者又生产一件产品，在它欲向缓冲区存放时，将在P(empty)上等待，由于此时mutex=0，它已经占有缓冲区，这时消费者预取产品时将停留在P(mutex)上而得不到使用缓冲区的权力。这就导致生产者等待消费者取走产品，而消费者却在等待生产者释放缓冲区的占有权，这种互相之间的等待永远不可能结束。所以，在使用信号量和PV操作实现进程同步时，特别要当心P操作的次序，而V操作的次序无关紧要。一般来说，用于互斥的信号量上的P操作总是在后面执行。1.3 生产者消费者问题模拟实现1.3.1 实验内容考虑一个系统中有n个进程，其中部分进程为生产者进程，部分进程为消费者进程，共享具有k个单位的缓冲区。现要求用高级语言编写一个程序，模拟多个生产者进程和多个消费者进程并发执行的过程，并采用信号量机制与P、V操作实现生产者进程和消费者进程间同步以及对缓冲区的互斥访问。利用信号量机制解决此问题的算法见3.2.4所示。1.3.2 实验指导1 设计提示（1）本实验并不需要真正创建生产者和消费者进程，每个进程用一个进程控制块（PCB）表示。PCB数据结构如下：typedef struct Process/进程PCB char name10;/进程名int roleFlag; /进程类型（1：生产者 0: 消费者）int currentState;/进程状态（1: 可运行态 0: 阻塞态）int currentStep;/断点int data; /临时数据int code; /进程编号Process;（2）程序中应指定缓冲区的数目，进程总个数等，现考虑共有4个生产者和消费者进程，缓冲区数目是两个，定义如下所示：#define dataBufferSize 2/缓冲区数目#define processNum 4/进程数量(生产者、消费者进程总数目)struct DataBuffer /缓冲区 int bufferdataBufferSize;int count;/当前产品数量 dataBuffer;（3）为解决生产者-消费者问题需设两个同步信号量：信号量empty表示可用的空缓冲区的数目，初值为缓冲区数目；信号量full表示可以使用产品的数目，初值为。缓冲区是一个临界资源，必须互斥使用，所以另外还需要设置一个互斥信号量mutex，其初值为。信号量定义和说明如下所示：typedef struct Seamphore /信号量 int value;/信号量的值 int *pcq;/信号量队列指针 Seamphore;int producerCongestionQueueprocessNum;/等待信号量empty的阻塞队列int consumerCongestionQueueprocessNum;/等待信号量full的阻塞队列int shareCongestionQueueprocessNum; /等待信号量mutex的阻塞队列Seamphore empty=dataBufferSize,producerCongestionQueue; Seamphore full=0,consumerCongestionQueue; Seamphore mutex=1,shareCongestionQueue; （4）为模拟多个生产者和多个消费者进程并发执行的过程，首先根据进程总个数产生若干生产者和若干消费者进程，然后随机调度一个处于就绪态的进程，判断是生产者还是消费者，然后执行不同的代码，为模拟并发执行，进程每执行一步操作就中断执行，再调度其他进程运行，在被中断进程的PCB中记录了中断的位置，等到下次被调度执行时则从此位置继续执行。（5）生产者进程执行时分为6步，如下所示：void produce(Process *p) /生产者进程执行代码switch (p-currentStep) case 1:/1 生产产品p-data = rand()%1000;printf(%20s: 生产一个产品%d!n, p-name, p-data);p-currentStep+;break;case 2:/2 申请空缓冲区P(&empty, p);break;case 3:/3 申请访问缓冲区P(&mutex, p);break;case 4:/4 将产品送入缓冲区push(p-data);printf(%20s: 将产品%d正送入缓冲区!n, p-name, p-data);p-currentStep+;break;case 5:/5 释放缓冲区访问权V(&mutex, p);break;case 6:/6 产品已送入缓冲区，产品数量加1V(&full, p);p-currentStep = 1;break; （6）消费者进程执行时也分为6步，如下所示：void consume(Process *p) /消费者进程执行代码switch (p-currentStep) case 1:/1 申请从缓冲区取出产品P(&full, p);break;case 2:/2 申请访问缓冲区P(&mutex, p);break;case 3:/3 从缓冲区中取出产品p-data = pop();printf(%20s: 从缓冲区中正取出产品%d!n, p-name, p-data);p-currentStep+;break;case 4: /4 释放缓冲区访问权V(&mutex, p);break;case 5: /5 已从缓冲区取出一个产品，空缓冲区数量加1V(&empty, p);break;case 6: /6 消费产品printf(%20s: 消费产品%d!n, p-name, p-data);p-currentStep = 1;break;（6）为对生产者进程和消费者进程并发执行的过程进行分析，理解信号量和P、V操作在进程同步和互斥机制中的运用，要求进程每执行一步都输出每一步的执行情况。2程序流程图（1）程序流程图如图3.2所示：图3.2 程序流程图（2）生产者进程和消费者进程执行时各有6步操作，执行一个操作后会被中断，下次再被调度执行时接着执行下一操作。生产者进程流程图如图3.3所示，消费者进程流程图如图3.4所示。 图2.2 生产者进程流程图 图2.3 消费者进程流程图1.3.3 程序示例#include stdio.h#include time.h#include stdlib.h#include string.h#include windows.h#define dataBufferSize 2/缓冲区数目#define processNum 4/进程数量(生产者、消费者进程总数目)typedef struct Seamphore /信号量int value;/信号量的值int *pcq;/信号量队列指针 Seamphore;int producerCongestionQueueprocessNum;/等待信号量empty的阻塞队列int consumerCongestionQueueprocessNum;/等待信号量full的阻塞队列int shareCongestionQueueprocessNum;/等待信号量mutex的阻塞队列Seamphore empty=dataBufferSize,producerCongestionQueue; / empty：空缓冲区数目Seamphore full=0,consumerCongestionQueue; / full：缓冲区内可用的产品Seamphore mutex=1,shareCongestionQueue; /mutex：互斥信号量struct DataBuffer /缓冲区 int bufferdataBufferSize;int count;/当前产品数量 dataBuffer;typedef struct Process /进程PCBchar name10;/进程名int roleFlag; /进程类型（1: 生产者 0: 消费者）int currentState; /进程状态（1: 就绪态 0: 阻塞态）int currentStep; /断点int data; /临时数据int code; /进程编号Process;Process processprocessNum;/进程集合void moveDataForward() int i;for (i = 0; i dataBuffer.count; i+) dataBuffer.bufferi = dataBuffer.bufferi+1;void push(int data) /产品送入缓冲区dataBuffer.bufferdataBuffer.count+ = data;int pop() /从缓冲区取出产品int data = dataBuffer.buffer0;dataBuffer.count-;moveDataForward();return data;void initProcess() /初始化进程集合int i;char digitTemp5;srand(time(NULL);for (i = 0; i processNum; i+) processi.roleFlag = rand()%2;/ 随机指定当前进程为生产者或消费者if (processi.roleFlag)strcpy(, 生产者);else strcpy(, 消费者);strcat(, itoa(i+1, digitTemp, 10);processi.currentState = 1;processi.currentStep = 1;processi.code = i + 1;producerCongestionQueuei = 0;consumerCongestionQueuei = 0;shareCongestionQueuei = 0;void wakeup(int *pcq) /唤醒进程int code = pcq0 - 1;/取出队首进程processcode.currentState = 1;/进程置为就绪态/当进程被唤醒后继续执行任务if (processcode.roleFlag = 1) /生产者if (processcode.currentStep = 2) printf(%20s: 该进程被唤醒!申请空缓冲区成功!n, ); else if (processcode.currentStep = 3) printf(%20s: 该进程被唤醒!申请访问缓冲区成功!n, ); else if (processcode.roleFlag = 0) /消费者if (processcode.currentStep = 1) processcode.data = pop();printf(%20s: 该进程被唤醒!申请取产品%d成功!n, , processcode.data); else if (processcode.currentStep = 2) printf(%20s: 该进程被唤醒!申请访问缓冲区成功!n, );processcode.currentStep+;for (int i = 1; (i processNum) pcqi-1 = 0;pcqi-1 = 0;void sleep(int pcq, int code) /阻塞进程 int i;processcode-1.currentState = 0;/进程置为阻塞态for (i = 0; i value -= 1;if (s-value= 0) if (p-roleFlag = 1) /生产者if (p-currentStep = 2) printf(%20s: 申请空缓冲区成功!n, p-name); else if (p-currentStep = 3) printf(%20s: 申请访问缓冲区成功!n, p-name); else if (p-roleFlag = 0) /消费者if (p-currentStep = 1) printf(%20s: 申请取出产品成功!n, p-name); else if (p-currentStep = 2) printf(%20s: 申请访问缓冲区成功!n, p-name);p-currentStep+;/下一步 else if (s-value roleFlag = 1) /生产者if (p-currentStep = 2) printf(%20s: 无空缓冲区, 该进程被阻塞!n, p-name); else if (p-currentStep = 3) printf(%20s: 其他进程正在访问缓冲区, 该进程被阻塞!n, p-name); else if (p-roleFlag = 0) /消费者if (p-currentStep = 1) printf(%20s: 无产品可取, 该进程被阻塞!n, p-name); else if (p-currentStep = 2) printf(%20s: 其他进程正在访问缓冲区, 该进程被阻塞!n, p-name);sleep(s-pcq, p-code);/阻塞进程void V(Seamphore *s, Process *p) /模拟V操作s-value += 1;if (p-roleFlag = 1) /生产者if (p-currentStep = 5) printf(%20s: 释放缓冲区访问权!n, p-name); else if (p-currentStep = 6) printf(%20s: 产品已送入缓冲区，产品数量增加!n, p-name); else if (p-roleFlag = 0) /消费者if (p-currentStep = 4) printf(%20s: 释放缓冲区访问权!n, p-name); else if (p-currentStep = 5) printf(%20s: 产品已取出，空缓冲区数量增加!n, p-name);if (s-valuepcq);p-currentStep+;void produce(Process *p) /模拟生产者进程switch (p-currentStep) case 1:/1 生产产品p-data = rand()%1000;printf(%20s: 生产一个产品%d!n, p-name, p-data);p-currentStep+;break;case 2:/2 申请空缓冲区P(&empty, p);break;case 3:/3 申请访问缓冲区P(&mutex, p);break;case 4:/4 将产品送入缓冲区push(p-data);printf(%20s: 将产品%d正送入缓冲区!n, p-name, p-data);p-currentStep+;break;case 5:/5 释放缓冲区访问权V(&mutex, p);break;case 6:/6 产品已送入缓冲区，产品数量加1V(&full, p);p-currentStep = 1;break;void consume(Process *p) /模拟消费者进程switch (p-currentStep) case 1:/1 申请从缓冲区取出产品P(&full, p);break;case 2:/2 申请访问缓冲区P(&mutex, p);break;case 3:/3 从缓冲区中取出产品p-data = pop();printf(%20s: 从缓冲区中正取出产品%d!n, p-name, p-data);p-currentStep+;break;case 4:/4 释放缓冲区访问权V(&mutex, p);break;case 5:/5 已从缓冲区取出一个产品，空缓冲区数量加1V(&empty, p);break;case 6:/6 消费产品printf(%20s: 消费产品%d!n, p-name, p-data);p-currentStep = 1;break;void rr() /模拟进程调度Process *p;while(1) p = &processrand()%processNum;/随机选取进程集合内某一进程if (!p-currentState) /选取的进程若为阻塞态，重新选取其它可执行进程continue;if (p-roleFlag) /1: 生产者 0: 消费者produce(p); else consume(p);Sleep(100);void deal() printf(tt生产者消费者算法模拟nn);initProcess();rr();int main () deal();return 0;1.3.4 运行结果及分析1.运行结果程序经编译运行后，输出如下结果：生产者消费者算法模拟 消费者2: 无产品可取, 该进程被阻塞! 生产者3: 生产一个产品344! 生产者3: 申请空缓冲区成功! 生产者1: 生产一个产品723! 生产者1: 申请空缓冲区成功! 生产者3: 申请访问缓冲区成功! 生产者3: 将产品344正送入缓冲区! 生产者3: 释放缓冲区访问权! 生产者1: 申请访问缓冲区成功! 生产者1: 将产品723正送入缓冲区! 生产者3: 产品已送入缓冲区，产品数量增加! 消费者2: 该进程被唤醒!申请取产品344成功! 消费者4: 无产品可取, 该进程被阻塞! 生产者1: 释放缓冲区访问权! 消费者2: 申请访问缓冲区成功! 消费者2: 从缓冲区中正取出产品723! 生产者3: 生产一个产品924! 消费者2: 释放缓冲区访问权! 生产者1: 产品已送入缓冲区，产品数量增加! 消费者4: 该进程被唤醒!申请取产品723成功! 生产者1: 生产一个产品510! 生产者1: 无空缓冲区, 该进程被阻塞! 消费者2: 产品已取出，空缓冲区数量增加! 生产者1: 该进程被唤醒!申请空缓冲区成功! 生产者1: 申请访问缓冲区成功! 消费者4: 其他进程正在访问缓冲区, 该进程被阻塞! 生产者3: 无空缓冲区, 该进程被阻塞! 生产者1: 将产品510正送入缓冲区! 生产者1: 释放缓冲区访问权! 消费者4: 该进程被唤醒!申请访问缓冲区成功! 消费者4: 从缓冲区中正取出产品723!