《操作系统》课程设计说明书-用多线程同步方法解决生产者－消费者问题

1、目录s录1用多线程同步方法解决生产者一消费者问题31. 设计题目与要求4设计题目42 设计思想及系统平台42丄设计思想42.2系统平台及使用语言53.数据结构与模块说明54 源程序清单错误!未定义书签。5 运行结果与运行情况13&调试过程13本科生课程设计成绩评定表15课程设计任务书学生姓名：专业班级:指导教师：工作单位：计算机科学与技术学院题目：用多线程同步方法解决生产者一消费者问题（producer-c onsumer pr oblem）初始条件:1. 操作系统：lin ux2. 程序设计语言：c语言3. 有界缓冲区内设有20个存储单元，其初值为0o放入/取出的数据项按 增序设定为

2、1 -20这20个整型数。要求完成的主要任务：（包括课程设计江作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1. 技术要求:1）为每个生产者/消费者产生一个线程，设计正确的同步算法2）每个生产者和消费者对有界缓冲区进行操作后，即时显示有界缓 冲区的当前全部内容、当前指针位置和生产者/消费者线程的自 定义标识符。3）生产者和消费者各有两个以上。4）多个生产者或多个消费者之间须共享对缓冲区进行操作的函数代 码。2. 设计说明书内容要求：1）设计题目与要求2）总的设计思想及系统平台、语言、工具等。3）数据结构与模块说明（功能与流程图）4）给岀用户名、源程序名、目标程序名和源程序及其运行结果。（要注明存

3、储各个程序及其运行结果的主机ip地址和目录。）5）运行结果与运行情况（提示:（1 ）有界缓冲区可用数组实现。（2）编译命令可用：cc -ipthrea d -o目标文件名源文件名（3 ）多线程编程方法参见附件。）3. 调试报告：1）调试记录2）自我评析和总结上机时间安排：18 周一 五 08： 0 -12： 00指导教师签名：年月 日系主任（或责任教师）签名：年月日用多线程同步方法解决生产者一消费者问题1.设计题目与要求1.1设计题目解决生产者一消费者(bou nded - buf fer proble m)问题1.2设计要求1. 每个生产者和消费者对有界缓冲区进行操作后，即时显示有界缓冲区的

4、全部内容、当前指针位置和生产者/消费者线程的标识符。2. 生产者和消费者各有两个以上。3. 多个生产者或多个消费者z间须共享对缓冲区进行操作的函数代码。2设计思想及系统平台2.1设计思想生产者进程与消费者进程是经典的同步互斥关系。系统创建两类进程： proceduce r ()和consu mer (),分别用来描述生产者和消费者的行为。生产者 与消费者问题是指若干进程通过循环缓冲池区交换数据。牛产者进程不断向循 环缓冲池区中写入数据(即生产数据)，而消费者进程不断从循环缓冲池区中读 出数据(即消费数据)。循环缓冲池共有n个缓冲区，缓冲区可以暂存一个产品, 任何时刻只能有一个进程可以对循环缓冲

5、池进行操作。只耍缓冲区未满，生产 者就可以把产品送入缓冲区；只要缓冲区未空，消费者就可以从缓冲区中取走 物品。为了解决生产者和消费者问题，应该设置信号量和变量如下： full：满缓冲区资源信号量,初值为0；empty：空缓冲区资源信号量,初值为min：生产者指针，初值均为0；out：消费者指针，均为0；mutex：缓冲区操作的互斥信号量，初值为1利用互斥信号量mu tex实现诸进程对缓冲池的互斥使用，利用信号量empty和f ull分别表示缓冲池中空缓冲池和满缓冲区的数量。2.2系统平台及使用语言1) 操作系统：linux2) 程序设计语言：c语言3) 编译器：gcc3. 数据结构与模块说明3

6、.1程序自定义函数1 void produce(struct semnfo * );这个函数是生产者进行的生产过程，为所有的生产者所共享。结构体指针用来接收生产者线程创建时传來的生产者的个人信息。2 void co nsumer(str uct semn fo *);这个函数是消费者进行的生产过程，为所有的消费者所共享。结构体指针 用来接收消费者线程创建时传来的消费者的个人信息。3、void setproduce (void);这个函数是用来设置生产者的个数和他们的名字。4、vo i d set con sumer (void);这个函数是用来设置消费者的个数和他们的名字。5、void act

7、i ve pthread (in t);这个函数是用来创建生产者线程，in t型参数为生产者的个数。6、void a ct i vecthread(int);这个函数是用来创建生产者线程，int型参数为生产者的个数。7、i nt gettime (void);这个函数返回来一个整数，作为线程的sleep()函数的参数。8、void mysca nf (void);这个函数用来获取设置生产者和消费者的个数时的整数，确保这个数字在o 到 max_buff er z间。32系统函数调用线程linux系统下的多线程遵循posix线程接口,称为pthreado编写linux下 的多线程程序,需要使用头文

8、件pthread.h,连接时需要使用库iibpthread.a<> linux下pthread的实现是通过系统调用clone ()來实现的。clone ()是linux 所特有的系统调用，它的使用方式类似forko函数时read_create用来创建一个线程，它的原型为： extern int pthread_create _p (pthread_t *_thread, _const pthread_attr_t *_attr,void*(*_start_routine)(void*),void*_arg);第一个参数为指向线程标识符的指针，第二个参数用來设置线程属性，第三个 参数

9、是线程运行函数的起始地址，最后一个参数是运行函数的参数。笫二个参 数我们也设为空指针，这样将生成默认属性的线程。当创建线程成功时，函数 返回0,若不为0则说明创建线程失败，常见的错误返冋代码为eagain和 einvalo前者表示系统限制创建新的线程，例如线程数目过多了；后者表示第 二个参数代表的线程属性值非法。创建线程成功后，新创建的线程则运行参数 三和参数四确定的函数，原来的线程则继续运行下一行代码。 函数pthread join用来等待一个线程的结束。函数原型为： exter n int pthreadjoin _p (pthread_t _th, void *_thread_retur

10、n); 第一个参数为被等待的线程标识符，第二个参数为一个用户定义的指针，它可 以用来存储被等待线程的返回值。这个函数是一个线程阻塞的函数，调用它的 函数将一直等待到被等待的线程结束为止，当函数返回时，被等待线程的资源 被收回。一个线稈的结束有两种途径，一种是函数结束了，调用它的线程也就 结束了；另一种方式是通过函数pthread.exit来实现。它的函数原型为： extern void pthread_exit _p (void *_retval) _attribute_ (_noreturn_); 唯一的参数是函数的返回代码，只要pthreadjoin中的第二个参数 thread_retur

11、n不是null,这个值将被传递给thread_returno最后要说明的是， 一个线程不能被多个线程等待，否则第一个接收到信号的线程成功返回，其余 调用pthreadjoin的线程则返回错误代码esrch。信号量 信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问。当 公共资源增加时，调用函数sem_post ()增加信号量。只有当信号量值大于0 时，才能使用公共资源，使用后，函数sem.wait ()减少信号量。函数 sem_trywait ()和函数pthread_ mutex_trylock ()起同样的作用，它是函数 sem_wait ()的非阻塞版本。它们都在头文件/u

12、sr/include/semaphore.h 41定义。 信号量的数据类型为结构sem_t,它本质上是一个长整型的数。函数semnit()用来初始化一个信号量。它的原型为： extern int sem_init _p (sem_t *_sem, int _pshared, unsigned int _value); sem为指向信号量结构的一个指针；pshared不为0时此信号量在进程间共享, 否则只能为当前进程的所有线程共享；value给出了信号量的初始值。 函数sem_post( sem.t *sem )用来增加信号虽的值。当有线程阻塞在这个信号量 上时，调用这个函数会使其屮的一个线程不

13、在阻塞，选择机制同样是由线程的 调度策略决定的。函数sem_wait( sem_t *sem )被用来阻塞当前线程直到信号量sem的值人于0, 解除阻塞后将sem的值减一，表明公共资源经使用后减少。函数semjrywait (sem_t *sem )是函数sem_wait ()的非阻塞版木，它直接将信号量sem的值减函数sem_destroy(sem_t水sem)用来释放信号量sem03.3流程图设置生产者消费者信息创建生产者生产者生产缓存区空？缓存区可进？创建生产者 生产者生产缓存区空？缓存区可进？程序结束失败否否否失败否4. 源程序清单#inelude <semaphore.h>

14、;#include <stdio.h>#include <sys/sem.h>#inelude <pthread.h>#include <time.h>#include <stringh>#include <malloc.h>#define max_buffer 20int in=0,out=0;int pnumcnum;int she ng 二 1;int xiao=l;int i;char buffermax_buffer;struct sem_info pthread_t semid;char * name;*pse

15、mmax_bufferz*csemmax_buffer;sem_t mutex,full,empty;生产者开始void produce(struct sem_info * rpsem)printf("m%d 个生产者创建完成!n",sheng+);while(l)int si;sleep(gettime();sem_wait(&empty);sem_wait(&m utex);if(in>19)in=o;srand(unsigned)time(null)+in);bufferin=rand()%100+10;printic'l am the

16、produce ,the pid:%d ,my name is:%s ,my products is:%dn1',&rpsemsemid,&rpsem>n ame，bufferin);printff'the in point is:%dn",in);prin tf("the con tents of the buffer is:n");for(sl=0;sl<max_buffer;sl+)printfd|”,buffersl);in+;pri ntf(hn生产结束nn");sem_post(&mutex

17、);sem_post(&full);void consumer(struct semnfo * rcsem)prin tf(nm%d个消费者创建完成!.n*xi ao+);while(l)sleep(gettime();int s2=0;sem_wait(&full);sem_wait(&m utex);讦(out>19)will consume theout=0;printf(hl am the consumer ,the pid:%d ,my name is:%s ,1 products:%drr：&rcsem>semict&rcsern

18、 >n ame,bufferout);bufferout=0;printff'the out point is:%dn",out);printf(hafter consume the buffer'contents is:n“)；for(s2=0;s2<max_buffer;s2+)printf(h%dr'zbuffers2);out+;printf("n消费结束nnh);sem_post(&mutex);sem_post(&empty); void setproduce()print f(“请输入生产者的个数pn um=

19、mysca nf();for(i=0;i<pnum;i+)psemi=(struct semjnfo *)malloc(sizeof(struct sem_info);psemi->semid=o;printff请输入第d个生产者的名字:nj+l);sea nfs 舄&psemi> name);getchar();void setconsumer()printf ('请输入消费者的个数:“);cn um=mysca nf();for(i=0;i<cnum;i+)csemi=(struct semnfo *)malloc(sizeof(struct sem

20、nfo); csemi->semid=o;printff请输入第d(消费者的名字:j+l);scanf("%s",&csemi-> name);getchar(); int activepthreadfint number) int kl=o;int retl;for(kl=0;kl<number;kl+)memset(&psemkl->semidasizeof(psemkl->semid);retl=pthread_create(&psemkl卜semid,null,(void *)produce,psemkl);if

21、(retl!=o)pr intf(m创建第d个生产者线程失败lkl+l);return -1;return 0;int activecthread(int number) int k2=0;int ret2;for(k2=0;k2<number;k2+)memsetf&csemk2 卜semicl0sizeof(csernk2 卜semid);ret2=pthread_create(&csemk2->semid,null,(void *)consumer/csemk2);if(ret2!=o) prin tf(“创建第d个消费者线程失败!n,k2+l);return

22、 -1;return 0;int gettime()int j;sran d(unsigned)time(null);j=rand()%4+l;return j; int myscanf()int num=-99999; while(l)scanf("%dn,&num);getchar();if(num<=-99999| |num>=20)p rintfc'请输入1到20的一个整数elsebreak;return num;int main()int keyl,key2;semnit(&mutex,0,1);sem_i nit(&full,0

23、,0);semnit(&empty,o,max_buffer);setproduce();setc on sumer();keyl=activecthread(c num);key2=activepthread(pnum);if (keyl=o&&key2=0)pthread_join(psem0卜semid,null); 等待第一个生产者线程的结束，也就是让主线程处于无限等待屮，不会过早的退出5.编译及运行结果编译命令：gcc -o pv pv .c -pthrea d执行命令：./pv运行结果：rootlocalhost root# gcc pv.c -o pv -

24、pthreadrootlocalhost root# ./pv请输入生产者的个数：3请输入第1个生产者的名字:a请输入第2个生产者的名字:b请输入第3个生产者的名字:c请输入消费者的个数：2请输入第1个消费者的名字:si请输入第2个消费者的名字:s2第1个消费者创建完成!第2个消费者创建完成!第1个生产者创建完成!第2个生产者创建完成!第3个生产者创建完成!.i am the produce ,the pid:134517488 ,my name is:a ,my products is:70the in point is:0the contents of the buffer is:70|0

25、|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|生产结束i am the produce ,the pid:134517504 ,my name is:b ,my products is:88the in point is:lthe contents of the buffer is:70|88|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|生产结束i am the produce ,the pid:134517520 ,my name is:c ,my products is:93the in point is:2the contents

26、of the buffer is:70|88|93|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|生产结束i am the consumer ,the pid:134517536 ,my name is:sl ,1 will consume the products:70the out point is:0after consume the buffer'contents is:0|88|93|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|消费结束i am the consumer ,the pid:134517552 ,my name is

27、:s2 ,1 will consume the products:88 the out point is:lafter consume the buffer'contents is:0|0|93|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|消费结束i am the produce ,the pid:134517488 ,my name is:a ,my products is:46the in point is:3the contents of the buffer is:0|0|93|46|0|0 0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|生产结

28、束i am the produce ,the pid:134517504 ,my name is:b ,my products is:70the in point is:4the contents of the buffer is:0|0|93|46|70|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|生产结束i am the produce ,the pid:134517520 ,my name is:c ,my products is:50the in point is:5the contents of the buffer is:0|0|93|46|70|50|0|0|0|

29、0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|生产结束i am the consumer ,the pid:134517536 ,my name is:sl ,1 will consume the products:93 the out point is:2after consume the buffer'contents is:0|0|0|46|70|50|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|消费结束i am the consumer ,the pid:134517552name is:s2 j will consume the products:46 the ou

30、t point is:3after con sume the buffer'c on tents is:0|0|0|0|70|50|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|消费结束i am the produce ,the pid:134517488 ,my name is:a ,my products is:46the in point is:6the contents of the buffer is:0|0|0|0|70|50 46|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|生产结束i am the produce ,the pid:134517504

31、7my name is:b ,my products is:37the in point is:7the contents of the buffer is:0|0|0|0|70|50|46|37|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|生产结束i am the produce ,the pid:134517520 ?my name is:c ,my products is:81the in point is:8the contents of the buffer is:0|0|0|0|70|50 46|37|81|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|生产结束i am the

32、consumer ,the pid:134517536 ,my name is:sl ,1 will consume the products:70 the out point is:4after consume the buffer'contents is:0|0|0|0|0|50|46|37|81|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|消费结束i am the consumer ,the pid:134517552 ,my name is:s2 ,1 will consume the products:50 the out point is:5after consume th

33、e buffer'contents is:0|0|0|0|0|0|46|37|81|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|消费结束i am the produce ,the pid:134517488 ,my name is:a ,my products is:69the in point is:9the contents of the buffer is:0|0|0|0|0|0|46|37|81|69|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|生产结束i am the produce ,the pid:134517504 ,my name is:b ,my products is

34、:89the in point is:10the contents of the buffer is:0|0|0|0|0|0|46|37|81|69|89|0|0|0|0|0|0|0|0|0|生产结束i am the produce ,the pid:134517520 7my name is:c ,my products is:67the in point is:llthe contents of the buffer is:0|0|0|0|0|0|46|37|81|69|89|67|0|0|0|0|0|0|0|0|生产结束i am the consumer ,the pid:1345175

35、36 ,my name is:sl ,1 will consume the products:46the out point is:6after con sume the buffer'c on tents is:0|0|0|0|0|0|0 37|81|69|89|67|0|0|0|0|0|0|0|0|湄赛结束i am the consumer ,the pid:134517552name is:s2 j will consume the products:37 the out point is:7after consume the buffer'contents is:0|0

36、|0|0|0|0|0 0|81|69|89|67|0|0|0|0|0|0|0|0|消费结束i am the produce ,the pid:134517488 ,my name is:a ,my products is:37the in point is:12the contents of the buffer is:0|0|0|0|0|0|0|0|81|69|89|67|37|0|0|0|0|0|0|0|生产结束i am the produce ,the pid:134517504 7my name is:b ,my products is:21the in point is:13the

37、contents of the buffer is:0|0|0|0|0|0|0 0|81|69|89|67|37|21|0|0|0|0|0|0|生产结束i am the produce ,the pid:134517520 ?my name is:c ,my products is:102the in point is:14the contents of the buffer is:0|0|0|0|0|0|0 0|81|69|89|67|37|21|102|0|0|0|0|0|生产结束i am the consumer ,the pid:134517536 ,my name is:sl ,1

38、will consume the products:81 the out point is:8after consume the buffer'contents is:0|0|0|0|0|0|0 0|0|69|89|67|37|21|102|0|0|0|0|0|消费结束i am the consumer ,the pid:134517552 ,my name is:s2 ,1 will consume the products:69 the out point is:9after consume the buffer'contents is:0|0|0|0|0|0|0 0|0|

39、0|89|67|37|21|102|0|0|0|0|0|消费结束i am the produce ,the pid:134517488 ,my name is:a ,my products is:50the in point is:15the contents of the buffer is:0|0|0|0|0|0|0 0|0|0|89|67|37|21|102|50|0|0|0|0|生产结束i am the produce ,the pid:134517504 ,my name is:b ,my products is:16the in point is:16the contents of

40、 the buffer is:0|0|0|0|0|0|0 0|0|0|89|67|37|21|102|50|16|0|0|0|生产结束i am the produce ,the pid:134517520 7my name is:c ,my products is:40the in point is:17the contents of the buffer is:0|0|0|0|0|0|0 0|0|0|89|67|37|21|102|50|16|40|0|0|生产结束i am the consumer ,the pid:134517536 ,my name is:sl ,1 will consume the products:89 the out point is:10after con sume the buffer'c on tents is:0|0|0|0|0|0|0 0|0|0|0|67|37|21|102|50|16|40|0|0|湄赛结束i am the consumer ,the pid:134517552 ,m