生产者与消费者算法实现

1、课程设计说明书题目: 生产者与消费者算法模拟 院 系： 计算机科学与工程 专业班级： 信息安全(xxxx)班 学 号： 201130xxxx 学生姓名： xxxx 指导教师： xxxx 2013年 xx月 xx 日 xxxx大学课程设计（论文）任务书 计算机 院系 计算机 教研室学 号20113xxxxx学生姓名xxxx专业（班级）xxxxx设计题目生产者与消费者算法模拟设计技术参数（1）系统作业或进程的数目；（2）系统资源的种类和数目；（3）系统作业或进程的对每类资源的最大需求数目；（4）系统作业或进程已分配的资源数目。设计要求（1）检查系统安全状态：根据系统作业或进程的对每类资源的最大需求

2、数目、已分配的资源数目等计算是否存在安全序列。（2）检查系统是否可以继续某个进程资源分配请求。工作量 要求设计说明书的字数在3000字以上。工作计划2012.11.25-11.26 根据课程设计的要求，查找相关资料，完成需求分析；2012.11.26-11.27 进行系统的概要设计；2012.11.27-11.28 进行系统的详细设计和源代码的书写；2013.11.29-11.30 对系统进行调试分析，写出课程设计报告。参考资料1 Cay S.Horstmann,Gary Cornell编著.JAVA核心技术 卷 I.北京：机械工业出版社,2008.2 郑莉编著.Java语言程序设计（第二版）

3、.北京：清华大学出版社,2011.3 吕国英等编著.算法设计与分析.北京：清华大学出版社，2009.4 马小军等编.软件工程项目案例与实践指导. 北京：清华大学出版社，2013.5 汤子瀛等编著. 计算机操作系统.西安：西安电子科技大学出版社,2011.指导教师签字教研室主任签字2012年xx月xx日指导教师评语：成绩： 指导教师： 年 月 日xxxx大学课程设计（论文）成绩评定表目录1.问题描述11.1目的11.2设计要求12.需求分析13. 概要设计13.1程序流程图14. 详细设计24.1程序框架24.1.1生产者与消费者的父类24.1.2 生产者类54.1.3 消费者类64.1.4 主

4、程序入口64.2基本算法分析74.2.1 wait(mutex)与signal()数值信号74.2.2 isBufferEmpty()与isBufferFull()信号74.2.3 produce()存数方法与consume()取数方法85. 调试分析105.1不启动生产者线程测试结果分析105.2不启动消费者线程测试结果分析116. 用户手册117. 测试结果128. 设计体会13参考文献13附录131.问题描述1.1目的掌握信号的使用方法和P、V操作的定义，掌握使用P、V操作实现进程之间同步与互斥的方法，加深对进程同步互斥概念的理解。1.2设计要求设计一程序，由一个进程创建三个子进程，三个

5、子进程一个是生产者进程，两个是消费者进程，且要求：l 父子进程都使用父进程创建的共享存储区进行通信，由生产者进程将一个数组中的十个数值发送到由5个缓冲区组成的共享内存中；l 两个消费者进程轮流接收并输出这十个数值，同时将两个消费者进程读出的数值进行累加求各和。l 考虑生产者进程生产的速度和消费者进程速度。2.需求分析生产者-消费者问题是一个著名的进程同步问题。既然有进程间的同步，也就必将涉及到进程之间的互斥与通信问题，对于这个问题的解决有着很强的现实意义。它的现实意义在于可以类比到计算机中对于临界资源的互斥共享。生产者与消费者就好比是对计算机临界资源访问的程序或用户，而临界资源如打印机、磁带机

6、等设备。3. 概要设计3.1程序流程图说明：图3.1 程序流程图所示，首先生产者与消费者线程创建，便就去访问缓冲区。对于生产者若缓冲区没有被其他线程访问，且缓冲区未满则生产数据存放到缓冲区，若其中有一条件没有满足则生产者线程进入阻塞状态。而对于消费者同样也需要缓冲区没有被其他线程访问，但同时要求缓冲区未空才能从缓冲区取数据，若其中有一个条件为满足则同样进入阻塞状态。“生产者”线程创建“消费者”阻塞“生产者”向缓冲区放入数据否是否有线程访问缓冲区否是是“消费者”或“生产者”阻塞缓冲区是否满否是否有线程访问缓冲区是缓冲区是否空否“消费者”线程创建“生产者”阻塞“消费者”从缓冲区中取数图3.1 程序

7、流程图4. 详细设计4.1程序框架4.1.1生产者与消费者的父类public class SuperThread extends JPanel/定义缓冲区的读写锁private Lock bufferLock;/ 共享缓冲区public static IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(5);/生产者数组public int array = 1,5,6,9,8,11,13,10,7,3;/生产者执行的次数public static int count = 0;/两个生产者取出数据的累加public static int consumerSum = 0;/

8、记录消费者取数次数public static int consumerCount = 0;/存放从缓冲区中取得的数据private static int consumerData;/定义线程名public String nameString;/线程互斥信号，值为 0 表示生产者进程，值为 1 表示消费者进程public static int mutex = 0;/* 构造函数 */public SuperThread(String name)/主要完成一些变量的初始化/* 获得线程名 */public String getNameString() return nameString;/* 设置

9、线程名 */public void setNameString(String nameString) String = nameString;/* 获得互斥信号 */public static int getMutex() return mutex;/* 设置互斥信号 */public static void setMutex(int mutex) SuperThread.mutex = mutex;/* 判断是否有线程访问缓冲区，没有则对线程进行加锁 */public boolean wait(int mutex)if (mutex = 1) return false;el

10、se return true;/* 释放进程操作完成信号，其实本质就是修改mutex的信号值 */public static void signal()mutex = 0;/* 判断缓冲区是否为空 */public boolean isBufferEmpty()/根据缓冲区中是否有0存在来判断是否为空/若0的个数为5则为空，反之则不为空/* 判断缓冲区是否为满 */public boolean isBufferFull()/根据缓冲区中是否有0存在来判断是否为空/若0的个数为0则为满，反之则不满/* 消费数，即在缓冲区中取数 */public void consume()if (wait(mu

11、tex) && !isBufferEmpty() /判断是否访问缓冲区/加锁bufferLock.lock();try /设置互斥信号/从缓冲区取数/将取数后的缓冲区置0/释放互斥信号finally/解锁bufferLock.unlock();/* 消费者取得缓冲区数据*/public int getBufferData(int index)/完成取数操作return data;/* 生产数，即向缓冲区中存数*/public void produce()if (wait(mutex) && !isBufferFull() /判断是否访问缓冲区bufferLock

12、.lock();/加锁try/设置互斥信号/向缓冲区存数/释放互斥信号finally/解锁bufferLock.unlock();/* 生产者向公共缓冲区放数据*/public void putBufferData(int index)/完成想缓冲区存数操作4.1.2 生产者类public class Producer extends SuperThread implements Runnable/ 生产者休眠时间private int producerDelay;/* 生产者构造函数 */public Producer(String name) super(name);/* 获得生产者休眠时

13、间 */public int getProducerDelay() return producerDelay;/* 设置生产者休眠时间*/public void setProducerDelay(int producerDelay) ducerDelay = producerDelay;/* 线程中的run函数，线程启动时默认调用的函数*/Overridepublic void run() /线程启动后向缓冲区存数操作4.1.3 消费者类public class Consumer extends SuperThread implements Runnable /* 消费者休眠时

14、间 */private int consumerDelay;/* 消费者构造函数 */public Consumer(String name) super(name);/* 获得消费者休眠时间 */public int getConsumerDelay() return consumerDelay;/* 设置消费者休眠时间 */public void setConsumerDelay(int consumerDelay) this.consumerDelay = consumerDelay;/* 线程中的run函数，线程启动时默认调用的函数 */Overridepublic void run(

15、) while (true) /线程启动后向缓冲区取数操作4.1.4 主程序入口主函数 main(String args) /生产者与消费者对象定义producer、consumer1、consumer2 /设置休眠参数,如1000、2000、2500/创建线程producerThread、consumer1Thread、consumer2Thread /启动线程producerThread.start()、consumer1Thread.start()、/consumer2Thread.start();4.2基本算法分析4.2.1 wait(mutex)与signal()数值信号数值信号wa

16、it(mutex)主要是通过整型值mutex的设置来表示缓冲区是否已被访问，具体过程为：当有线程需要访问缓冲区时，先确定wait(mutex)信号值，若mutex的值为1则wait(mutex)为真，便可进行下一步操作，若mutex的值为0则wait(mutex)为不为真，该线程阻塞。当线程完成对缓冲区的访问后需要调用signal()信号对信号值mutex进行释放，释放后mutex的值为1，以便其他线程能够访问缓冲区。wait(mutex)与signal()的主要代码如下：public boolean wait(int mutex)/wait(mutex)信号if (mutex = 1) re

17、turn false;else return true;public static void signal()/signal()信号mutex = 0;4.2.2 isBufferEmpty()与isBufferFull()信号对于以上所述的wait(mutex)信号还不足以控制线程之间的同步与互斥，还必须使用到isBufferEmpty()与isBufferFull()两个信号。对于生产者要用到信号isBufferFull()来判断缓冲区是否为满，当wait(mutex)型号值为真且isBufferFull()信号值不为真时，生产者线程才能对缓冲区进行存数操作，否则就阻塞等待机会。而对于消费

18、者同样也要用到辅助信号isBufferEmpty()来判断缓冲区是否为空，只有缓冲区不为空且wait(mutex)为真是，消费者才能对缓冲区进行取数操作。isBufferEmpty()与isBufferFull()的主要代码如下：public boolean isBufferEmpty()/判断缓冲区是否为空int count = 0;for (int i = 0; i < buffer.capacity(); i+) if (buffer.get(i) = 0) /根据缓冲区中的0的个数来判断，若缓/区0的个数为5（缓冲区容量为5），则为空/反之不为空count +;if (count

19、 = 5) return true;else return false;public boolean isBufferFull()/判断缓冲区是否为满int count = 0;for (int i = 0; i < buffer.capacity(); i+) if (buffer.get(i) != 0) /根据缓冲区中不为0的个数来判断，若缓/区不为0的个数小于5（缓冲区容量为5），/则不为满，反之为满count +;if (count < 5) return false;else return true;4.2.3 produce()存数方法与consume()取数方法pr

20、oduce()方法由生产者使用，在条件满足的情况下对缓冲区进行存数操作，而这个条件就是wait(mutex)=true && ! isBufferFull()=true。对于消费者调用consume()方法同样也要满足这样一个条件：wait(mutex)=true && ! isBufferEmpty()=duce()与consume()方法的主要代码如下：/* 生产数，即向缓冲区中存数*/public void produce()if (wait(mutex) && !isBufferFull() bufferLock.lock

21、();/对该程序段加锁，防止其他线程访问缓冲区trysetMutex(1);/将线程互斥信号值mutex设置为1，使之互斥int index = 0;for (int i = 0; i < buffer.capacity(); i+)/寻找存数的位置if (buffer.get(i) = 0) index = i;break;putBufferData(index);/向缓冲区中存入数据signal();/释放互斥信号，将mutex设置为0finallybufferLock.unlock();/解锁/* 消费数，即在缓冲区中取数 */public void consume()if (wa

22、it(mutex) && !isBufferEmpty() bufferLock.lock();/对该程序段加锁，防止其他线程访问缓冲区try setMutex(1);/将线程互斥信号值mutex设置为1，使之互斥int index = 0;/存放顺序查找第一个为0的数的下摆int i;for (i = 0; i < buffer.capacity(); i+) /顺序查找第一个为/0的数if (buffer.get(i) = 0) index = i;break;else if(buffer.get(4) > 0)/缓冲区为满的情况index = 5;consum

23、erData = getBufferData(index-1);/取数据consumerCount +;if (consumerCount <= 2 ) consumerSum = consumerSum + consumerData;/计算两次取数/之和if (consumerCount = 2) System.out.println("消费者取数之和为："+consumerSum);consumerSum = 0;consumerCount = 0;buffer.put(index-1, 0);/将已取过数的缓冲区重新置0consumerPrintBufferData();/输出取数后的缓冲区signal();/释放互斥信号，将mutex设置为0finallybufferLock.unlock();/解锁5. 调试分析5.1不启动生产者线程测试结果分析由于没有启动生产者线程，所以缓冲区为空，从而导致isBufferEmpty()信号为真，所以消费者线程不可访问缓冲区取数。测试结果如图5.1：图5.1不启动生产者线程测试结果5.2不启动消费者线程测试结果分析因为没启动“消费者”而只启动了“生产者”，所以在缓冲区未满前“生产者”一直向缓冲区“生产”数据直到缓冲区满