完整版生产者-消费者问题

1、置嫉工建院课程设计报告课程名：操作系统专 业学生姓名班 级学 号指导教师完成日期博雅学院“操作系统课程设计报告生产者-消费者问题的模拟实现1 .课程设计的目的本课程设计是学习完“操作系统原理课程后进行的一次全面的综合练习,通 过课程设计,更好地掌握操作系统的原理及实现方法,加深对操作系统根底理论和 重要算法的理解,增强学生的动手水平.2 .设计内容2.1 概述用多进程同步方法解决生产者-消费者问题,C或C+语言实现.通过研究Linux的进程机制和信号量实现生产者消费者问题的并发限制.说明:有界缓冲区内设有20个存储单元,放入/取出的数据项设定为1-20这20个 整型数.设计要求:1每个生产者和

2、消费者对有界缓冲区进行操作后,即时显示有界缓冲区的全部内容,当前指针位置和生产者/消费者县城的标识符.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之间须有共享对缓冲区进行操作的函数代 码.2.2 设计原理多进程是一种非常简洁的多任务操作方式.在Linux系统下,启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间,建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和 数据段,这是一种烦琐的多任务工作方式.生产者-消费者方案是多进程应用程序开发中最常用的构造之一.因此困难也在 于此.由于在一个应用程序中可以屡次重复生产者-消费者行为,其代码也可以如此. 设计中创立了 Consumer类,该类通过在一些多

3、进程应用程序中促进代码重用以及 简化代码调试和维护来解决这个问题.多进程应用程序通常利用生产者-消费者编程方案,其中由生产者进程创立重复性作业,将其传递给作业队列,然后由消费者进 程处理作业.多进程是一种使应用程序能同时处理多个操作的编程技术.通常有两种不同类型的多进程操作使用多个进程：适时事件,当作业必须在特定的时间或在特定的问 隔内调度执行时；后台处理,当后台事件必须与当前执行流并行处理或执行时；适 时事件的例如包括程序提醒、超时事件以及诸如轮询和刷新之类的重复性操作.后 台处理的例如包括等待发送的包或等待处理的已接收的消息.生产者-消费者方案很适合于后台处理类别的情况.这些情况通常围绕一

4、个作业 “生产者方和一个作业“消费者方.当然,关于作业并行执行还有其它考虑事 项.在大多数情况下,对于使用同一资源的作业,应以FCFS的方式按顺序处理,这 可以通过使用单进程的消费者轻松实现.通过使用这种方法,使用单个进程来访问 单个资源,而不是用多个进程来访问单个资源.要启用标准消费者,当作业到来时 创立一个作业队列来存储所有作业.生产者进程通过将新对象添加到消费者队列来 交付这个要处理的新对象.然后消费者进程从队列取出每个对象,并依次处理.当 队列为空时,消费者进入休眠.当新的对象添加到空队列时,消费者会醒来并处理 该对象.2.3 详细设计及编码(1)调试问题分析为解决生产者/消费者问题,

5、应该设置两个资源信号量,其中一个表示空缓冲区 的数目,用Full表示,其初始值为有界缓冲区的大小 BUFFER_NUM ;另一个表示 缓冲区中产品的数目,用 Empty表示,其初始值为00另外,由于有界缓冲区是一 个临界资源,必须互斥使用,所以还需要再设置一个互斥信号量 Mutex,起初值为1.在生产者/消费者问题中,信号量实现两种功能.首先,它是生产产品和消费产 品的计数器,计数器的初始值是可利用的资源数目(有界缓冲区的长度).其次,它是 保证产品的生产者和消费者之间动作同步的同步器.生产者要生产一个产品时,首先对资源信号量Full和互斥信号量Mutex进行P操作,申请资源.如果可以通过的话

6、,就生产一个产品,并把产品送入缓冲区.然 后对互斥信号量Mutex和资源信号量Empty进行V操作,释放资源.消费者要消费一个产品时,首先对资源信号量Empty和互斥信号量Mutex进行P操作,申请资源.如果可以通过的话,就从缓冲区取出一个产品并消费掉.然后 对互斥信号量Mutex和资源信号量Full进行V操作,释放资源.如果缓冲区中已经没有可用资源,就把申请资源的进程添加到等待队列的队尾. 如果有一个资源被释放,在等待队列中的第一个进程被唤醒并取得这个资源的使用 权.(2)流程图图2-1生产者流程图图2-2消费者流程图(3)源程序#include #include #include #inc

7、lude typedef HANDLE Semaphore; / 信号量的 Windows 原型#define P(S) WaitForSingleObject(S,INFINITE) / 定义 Windows下的 P操作#define V(S) ReleaseSemaphore(S,1,NULL) / 定义 Windows下的 V作#define rate 1000# define CONSUMER_NUM 2 /*消费者个数*/# define PRODUCER_NUM 3/*生产者个数 */# define BUFFER_NUM 20/*缓冲区个数*/雪碧char *thing8 = 豆

8、浆,油条,烧饼,牛奶,包子,烧卖,煎蛋,; /生产和消费的产品名称struct Bufferint productBUFFER_NUM; / 缓冲区int start,end; /两个指针相当于教材中的in out指针g_buf;Semaphore Empty,Full,Mutex;/分别相当于Empty, Full, Mutex三个信号量/*消费者线程 */DWORD WINAPI Consumer(LPVOID para)/ i表示第i个消费者int i = *(int *)para; / 利用para传入当前消费者的编号int ptr; / 待消费的内容的指针printf(消费者1d:需

9、要资源n, i);int j=0;while (j+4) /等待产品P(Full);/有产品,先锁住缓冲区P(Mutex);/记录消费的物品ptr=g_buf.start;/再移动缓冲区指针g_buf.start= (g_buf.start+1)%BUFFER_NUM ;/让其他消费者或生产者使用printf ( 消费者 %01d: 我需要 buf%d=%sn , i, ptr, thingg_ductptr);/ 消费完毕,并释放一个缓冲printf ( 消费者 %01d:我消费完毕 %sn, i,thingg_ductptr);V(Mutex);V(Empty)

10、;Sleep(rate*rand()%10+110);return 0;*生产者线程 */DWORD WINAPI Producer(LPVOID para) int i = *(int *)para - CONSUMER_NUM;int ptr;int data; 产品int j=0;while(j+4)data=rand()%8;printf (生产者 %01d: 生产出：%s!n, i,thingdata);/等待存放空间P(Empty);/有地方,先锁住缓冲区P(Mutex);/记录消费的物品ptr=g_buf.end;/再移动缓冲区指针g_buf.end =(g_buf.end+1)

11、%BUFFER_NUM;printf (生产者 %01d: 放到缓冲区 buf%d=%sn, i,ptr,thingdata); g_ductptr=data ;/放好了完毕,释放一个产品/让其他消费者或生产者使用V(Mutex);V(Full);Sleep(rate/2*rand()%10+110);return 0; int main(int argc,char *argv口)/线程技术,前面为消费者线程,后面为生产者线程HANDLE hThreadCONSUMER_NUM+PRODUCER_NUM; / 线程计数srand(time(NULL); rand();DWORD

12、tid; int i=0; / 初始化信号量Mutex=CreateSemaphore(NULL,1,1,MutexOfConsumerAndProducer); Empty=CreateSemaphore(NULL, BUFFER_NUM, BUFFER_NUM, BufferSemaphone);Full=CreateSemaphore(NULL,0,BUFFER_NUM,ProductSemaphone); if(!Empty|!Full|!Mutex) ( printf(Create Semaphone Error!n); return -1;int totalThreads=CONS

13、UMER_NUM+PRODUCER_NUM;/开启消费者线程printf(先请消费者上席！n);for(i=0;iCONSUMER_NUM; i+) (hThreadi=CreateThread(NULL, 0, Consumer, &i,0,&tid); if(hThreadi)WaitForSingleObject(hThreadi,10); printf(生产者就位！n);for(;ibi*4=雪碧 烧饼,.W hifLBK烧燃 要mF4=雪碧一 IB三1 12 2 13 P 者醛者者者者 产,产产产产产sirhuELitn=牛奶：我需要力=油条buS= 弋需切咱15】J 藕生烧饼早产田

14、.浦茎.放到缓冲株条山1111=油条key to continue冲区hnfL7卜油条：烧卖,放到缓冲区皿打=烧卖生产出:豆浆,我需要bu6=施饼我嫌完毕烧神_后放到制能 buf【9h豆浆 生产缶牛沏, 生产出二牛奶,4设计小结本次课程设计通过模拟计算机操作系统中经典的“生产者一消费者问题,稳固了我在操作系统原理课上所学的知识,加深了对操作系统中进程同步和互斥等问题,完成了多进程同步方法解决生产者-消费者问题全部过程,结果满足设计要求.设计过程中遇到不少困难,在反复研究老师的PPT及课本的原理后才逐渐明晰怎样将代码实现,虽然这学期学过 Java, ! java不是很熟悉,因此还是选择 C+语 言.以前学习C+没有深入了解到线程这个概念,在学习Java的时候才知道有专门的线程类.所以我在网上也参考了其他人用C+编写尤其是关于多进程程序的设计实现.在代码的实现过程中,我是主要定义了两个函数 DWORD WINAPI Consumer(LPVOID para)和 DWORD WINAPI Producer(LPVOID para),在这两 个函数中实现PV操作.通过本次设计,我较好地掌握了通过研究Linux的进程机制和信号量实现生产者消费者问题的并发限制全过程,尤其是对多进程程序设计方法有了更深的理解, 开拓了思路,锻炼了实践动手能手.但是我觉