操作系统生产者与消费者问题实验报告

1、操作系统实验报告生产者和消费者的问题一、 实验目的1. 掌握基本的同步与互斥的算法，理解基本的生产者与消费者的模型。2. 学习使用Windows 2000/XP中基本的同步对象，掌握相关的API的使用方法。3. 了解Windows 2000/XP中多线程的并发执行机制，线程间的同步和互斥。二、 实验的内容及其要求1. 实验内容以生产者/消费者模型为根据，在Windows 2000环境下创建一个控制台进程，在改进程中创建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实验要求学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则学习了解Windows同步对象及其特性熟悉实验环境，掌握相关AP

2、I的使用方法设计程序，实现生产者/消费者进程（线程）的同步与互斥提交实验报告三、 实验的时间安排1 实验前，先到图书馆或上网百度了解有关生产者/消费者模型的相关知识，建立生产者/消费者模型的基本概念。2 利用13周、15周、17周的上机时间编写和调试程序代码。3 利用其他课余时间来分析实验的最终结果并完成相关的实验报告。四、 实验的环境1. 硬件条件：普通计算机一台2. 软件条件：操作系统：Windows 2000/XP开发语言：VC+本实验是在Windows 2000+VC6.0环境下实现的，利用Windows SDK提供的系统接口（API）完成程序的功能。实验在Windows下安装VC后进

3、行，因为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。实验中所用的API（应用程序接口），是操作系统提供的用来进行应用程序设计的系统功能接口。要使用这些API，需要包含对这些函数进行说明的SDK头文件，最常见的就是windows.h。一些特殊的API调用还需要包含其他的头文件。五、 正文1 程序结构图：2.数据结构：（1）用一个整型数组Buffer_Critical来代表缓冲区。不管是生产产品还是对已有产品的消费都需要访问改组缓冲区。（2）在程序中用一个自定义结构ThreadInfo记录一条线程的信息，即将测试用例文件中的一行信

4、息记录下来，用于程序创建相应的生产者或者消费者。由于要创建多个线程，所以程序中使用了一个ThreadInfo结构的数组Thread_Info。(3)在实现本程序的消费生产模型时，具体地通过如下同步对象实现互斥：设一个互斥量h_mutex,以实现生产者在查询和保留缓冲区内的下一个空位置时进行互斥。每一个生产者用一个信号量与其消费者同步，通过设置h_SemaphoreMAX_THREAD_NUM信号量数组实现，该组信号量用于表示相应产品已生产。同时用一个表示空缓冲区数目的信号量empty_semaphore进行类似的同步，指示缓冲区中是否存在空位置，以便开始生产下一个产品。每一个缓冲区用一个同步对

5、象实现该缓冲区上消费者之间的互斥，这通过设置临界区对象数组PC_CriticalMAX_BUFFER_NUM实现。3.实验步骤：（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 application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,此时将打开一个新窗口，在其中的“文件名”输入栏中输入自己想要创建的文件名，这里是R_WP1.cpp；接着询问是否创建新文件时回答“yes”。通过Workspace-Source

6、 Files打开该文件，在其中编辑源文件并保存。（3）通过调用菜单项Build-Rebuild 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，由于涉及文件的格式问题，最好在记事本中手工逐个输入数据，而不要用复制和粘贴数据。4.实验源代码：/*R_WP1.cpp*#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_NUM 1

7、0/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 ThreadInfoint serial;char entity;double delay;int thread_requestMAX_THREAD_NUM;int n_request;CRITICAL_SECTION PC_CriticalMAX_BUFFER_NUM;int Buffer_CriticalMAX_BUFFER_NUM;HANDLE h_ThreadMAX

8、_BUFFER_NUM;ThreadInfo Thread_InfoMAX_THREAD_NUM;HANDLE empty_semaphore;HANDLE h_mutex;DWORD n_Thread=0;DWORD n_Buffer_or_Critical;HANDLE h_SemaphoreMAX_THREAD_NUM;void Produce(void *p);void Consume(void *p);bool IfInOtherRequest(int);int FindProducePosition();int FindBufferPositon(int);int main(voi

9、d) DWORD wait_for_all; ifstream inFile; for(int i=0;iMAX_THREAD_NUM;i+) Buffer_Criticali=-1; 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;for(i=0;in_Buffer_or_Critical;inFile.get();printf(输出文件是:n);printf(%dn,(int)n_Buffer_o

10、r_Critical);while(inFile) inFileThread_Infon_Thread.serial; inFileThread_Infon_Thread.entity; inFileThread_Infon_Thread.delay; char c; inFile.get(c); while(c!=n&!inFile.eof() inFileThread_Infon_Thread.thread_requestThread_Infon_Thread.n_request+; inFile.get(c); n_Thread+;for(j=0;j(int)n_Thread;j+) i

11、nt 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; prin

12、tf(nn); empty_semaphore=CreateSemaphore (NULL,n_Buffer_or_Critical,n_Buffer_or_Critical, semaphore_for_empty); h_mutex=CreateMutex(NULL,FALSE,mutex_for_update); 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_Semapho

13、rej+1=CreateSemaphore(NULL,0,n_Thread,lp.c_str();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);elseh_Threadi=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Consume), &(Thread_Infoi),0,NULL); wait_for_all=Wai

14、tForMultipleObjects(n_Thread,h_Thread,TRUE,-1);printf(Press any key to quit!n);_getch();return 0;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;int FindProducePosition() int EmptyPosition

15、; for(int i=0;in_Buffer_or_Critical;i+) if(Buffer_Criticali=-1) EmptyPosition=i; Buffer_Criticali=-2; break; return EmptyPosition;int FindBufferPosition(int ProPos) int TempPos; for(int i=0;iserial; m_delay=( DWORD)(ThreadInfo*)(p)-delay *INTE_PER_SEC); Sleep(m_delay); printf(Producer %2d sends the

16、produce require.n,m_serial); wait_for_semaphore=WaitForSingleObject(h_mutex,-1); int ProducePos=FindProducePosition(); ReleaseMutex(h_mutex); printf(Producer %2d begin to produce at position %2d.n,m_serial, ProducePos); Buffer_CriticalProducePos=m_serial; printf(Producer %2d finish producing :n,m_se

17、rial); printf(position%2d:%3dn,ProducePos,Buffer_CriticalProducePos); ReleaseSemaphore(h_Semaphorem_serial,n_Thread,NULL);void Consume(void *p) DWORD wait_for_semaphore,m_delay; int m_serial,m_requestNum; int m_thread_requestMAX_THREAD_NUM; m_serial=(ThreadInfo*)(p)-serial; m_delay=(DWORD)(ThreadInf

18、o*)(p)-delay *INTE_PER_SEC); m_requestNum=(ThreadInfo*)(p)-n_request; for(int i=0;ithread_requesti; Sleep(m_delay); for(i=0;ithread_requesti=-1; if(!IfInOtherRequest(m_thread_requesti)Buffer_CriticalBufferPos=-1;printf(position %2d:%3dn,BufferPos,Buffer_CriticalBufferPos);ReleaseSemaphore(empty_semaphore,1,NULL);elseprintf(Consumer %2d finish consuming product %2dn,m_serial,m_thread_requesti);LeaveCriticalSection(&PC_CriticalBufferPos);5.实验运行结果：其中的实验数据是：31 p 52 p 43 p 24 c 3 1 3 26.实验结果分析：（1）在每个程序中需要先做P，后做V，二者要成对出现，夹在二者中间的代码段就是该进程的临界区。（2）对同步信号量full和empty的P,V操作同样必须成对出现，但它们分别位于不同的程序中。