操作系统生产者与消费者课程设计报告

PAGE1课程设计报告课程名称：操作系统课程设计设计题目：生产者消费者问题系别：计算机系专业：计算机科学与技术组别：第二组学生姓名：学号起止日期：2010年7月18日~2010年7月23日指导教师：

目录TOC\o"1-2"\h\u198221.概述 281471.1问题描述 2225701.2开发计划 217911.3开发环境及开发工具 3326702.需求分析 382802.1设计任务 342482.2设计思想 3128042.3设计要求 3314653.概要设计 4198883.1方法及原理 4281983.2流程图 478894.详细设计 53514.1数据结构及信号量说明 5153514.2部分代码 6260095.测试结果 971436.结果分析 10248467.总结和体会. 105204致谢 10386参考文献 101.概述1.1问题描述以生产者/消费者模型为依据，在WindowsXP环境下创建一个控制台进程，在该进程中创建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。1.2开发计划第一天：完成整体的规划工作，用什么方法，能完成什么工作，如何设计构造方法；第二天：完成操作界面的设计与编码，设计一个美观，易于操作的界面；第三天：完成并发设计内核的结构与实现工作；第四天：基本完成程序设计工作；第五天：完成代码的优化工作，添加一些功能；第六天：完成实验报告；第七天：交给老师审核。1.3开发环境及开发工具硬件：普通PC386以上微机；一张软盘或U盘。软件：操作系统：Windows2000/XP。开发工具：VC++6.0。VC是一个集成开发环境，其中包含了WindowsSDK所有工具和定义。2.需求分析2.1设计任务(1)掌握基本的同步与互斥算法，理解生产者消费者模型。(2)学习使用Windows2000/XP中基本的同步对象，掌握相关API使用方法。(3)了解Windows2000/XP中多线程的并发执行机制，实现进程同步与互斥。2.2设计思想生产者—消费者问题是一种同步问题的抽象描述。计算机系统中的每个进程都可以消费或生产某类资源。当系统中某一进程使用某一资源时，可以看作是消耗，且该进程称为消费者。而当某个进程释放资源时，则它就相当一个生产者。在同一时刻只能有一个生产者或一个消费者使用缓冲区，有互斥信号量可以控制各个生产者和消费者之间互斥，使得生产和消费的工作能够有序的进行，而不至于发生死锁。通过一个有界缓冲区(用数组来实现，类似循环队列)把生产者和消费者联系起来。假定生产者和消费者的优先级是相同的，只要缓冲区未满，生产者就可以生产产品并将产品送入缓冲区。类似地，只要缓冲区未空，消费者就可以从缓冲区中去走产品并消费它。应该禁止生产者向满的缓冲区送入产品，同时也应该禁止消费者从空的缓冲区中取出产品，这一机制有生产者线程和消费者线程之间的互斥关系来实现。2.3设计要求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全部内容、当前指针位置和生产者／消费者线程的标识符。生产者和消费者各有两个以上。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。3.概要设计3.1方法及原理1．阅读操作系统的进程管理章节内容，对进程的同步和互斥，以及信号量机制有深入理解。著名的生产者—消费者问题是典型的进程同步问题，操作系统中实现进程同步的常用机制有信号量和PV操作等。除赋初值外，信号量仅由同步原语P和V对其进行操作，PV操作的不分割性确保执行的原子性及信号量值的完整性。信号量按用途分两种：（1）公用信号量，用于实现进程互斥；（2）私有信号量，多用于并发进程同步。按取值又分两种：（1）两元信号量，主要用于解决进程互斥问题；（2）一般信号量，主要解决进程同步问题。2．掌握VisualC++6.0语言的使用。C++语言是从C语言发展演变的一种面向对象的程序设计语言，主要特点变现在两方面：一是全面兼容C；二是支持面向对象的方法。面向对象的方法将数据及对数据的操作方法封装在一起，作为一个相互依存、不可分割的整体——对象。对同类型对象抽象出共性，形成类。类中的大多数数据，只能用本类的方法进行处理。类通过一个简单的外部接口，与外界发生关系，对象与对象间通过消息进行通信。同时，通过继承与多态性，使程序具有很高的可重用性，使得软件的开发和维护都更为方便。3.2流程图输入数据输入数据创建“生产者”线程缓冲区是否阻塞N创建“消费者”线程Y“生产者”生产产品后被唤醒NY缓冲区是否为空“消费者”阻塞“生产者”等待，“消费者”取出缓冲区数据图3图3-1流程图4.详细设计4.1数据结构及信号量说明（1）程序中的主要的结构voidProduce(void*p);voidConsume(void*p); boolIfInOtherRequest(int);int FindProducePositon();int FindBufferPosition(int);intmain(void)（2）信号量定义如下：#defineMAX_BUFFER_NUM 10//本程序允许的最大临界区数；#defineINTE_PER_SEC1000//秒到微秒的乘法因子；#defineMAX_THREAD_NUM64//本程序允许的生产和消费线程的总数；intBuffer_Critical[MAX_BUFFER_NUM];//缓冲区声明，用于存放产品；HANDLEh_Thread[MAX_THREAD_NUM]; //用于存储每个线程句柄的数组；ThreadInfo Thread_Info[MAX_THREAD_NUM];//线程信息数组；HANDLE empty_semaphore; //一个信号量；HANDLE h_mutex; //一个互斥量；DWORD n_Thread=0; //实际的线程的数目；DWORD n_Buffer_or_Critical;//实际的缓冲区或者临界区的数目；HANDLE h_Semaphore[MAX_THREAD_NUM];//生产者允许消费者开始消费的信号量；4.2部分代码创建生产者和消费者线程 for(i=0;i<(int)n_Thread;i++){ if(Thread_Info[i].entity=='P') h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Produce),&(Thread_Info[i]),0,NULL); else h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Consume), &(Thread_Info[i]),0,NULL); }生产者进程voidProduce(void*p){ //局部变量声明； DWORDwait_for_semaphore,wait_for_mutex,m_delay; int m_serial; //获得本线程的信息； m_serial=((ThreadInfo*)(p))->serial; m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay*INTE_PER_SEC); Sleep(m_delay); //开始请求生产 printf("生产者%d发出生产请求...\n",m_serial); //确认有空缓冲区可供生产，同时将空位置数empty减1；用于生产者和消费者的同步； wait_for_semaphore =WaitForSingleObject(empty_semaphore,-1); //互斥访问下一个可用于生产的空临界区，实现写写互斥； wait_for_mutex=WaitForSingleObject(h_mutex,-1); intProducePos=FindProducePosition(); ReleaseMutex(h_mutex); //生产者在获得自己的空位置并做上标记后，以下的写操作在生产者之间可以并发； //核心生产步骤中，程序将生产者的ID作为产品编号放入，方便消费者识别; printf("生产者%d开始生产，并且把其产品放在位置%2d.\n",m_serial,ProducePos); Buffer_Critical[ProducePos]=m_serial; printf("生产者%2d生产完毕.\n",m_serial); printf("位置[%2d]:%3d\n",ProducePos,Buffer_Critical[ProducePos]); //使生产者写的缓冲区可以被多个消费者使用，实现读写同步； ReleaseSemaphore(h_Semaphore[m_serial],n_Thread,NULL);}消费者进程voidConsume(void*p){ //局部变量声明； DWORD wait_for_semaphore,m_delay; int m_serial,m_requestNum; //消费者的序列号和请求的数目； int m_thread_request[MAX_THREAD_NUM];//本消费线程的请求队列； //提取本线程的信息到本地； m_serial=((ThreadInfo*)(p))->serial; m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay*INTE_PER_SEC); m_requestNum=((ThreadInfo*)(p))->n_request; for(inti=0;i<m_requestNum;i++) m_thread_request[i]=((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i];Sleep(m_delay); //循环进行所需产品的消费for(i=0;i<m_requestNum;i++){//请求消费下一个产品printf("消费者%2d要求消费%2d产品.\n",m_serial,m_thread_request[i]);//如果对应生产者没有生产，则等待；如果生产了,允许的消费者数目-1；实现了读写同步；wait_for_semaphore=WaitForSingleObject(h_Semaphore[m_thread_request[i]],-1);//查询所需产品放到缓冲区的号 intBufferPos=FindBufferPosition(m_thread_request[i]); //开始进行具体缓冲区的消费处理，读和读在该缓冲区上仍然是互斥的；//进入临界区后执行消费动作；并在完成此次请求后，通知另外的消费者本处请//求已经满足；同时如果对应的产品使用完毕，就做相应处理；并给出相应动作//的界面提示；该相应处理指将相应缓冲区清空，并增加代表空缓冲区的信号量；EnterCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]);printf("消费者%2d开始消费%2d产品...\n",m_serial,m_thread_request[i]);((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i]=-1;if(!IfInOtherRequest(m_thread_request[i])){Buffer_Critical[BufferPos]=-1;//标记缓冲区为空； printf("消费者%2d消费完毕%2d.\n",m_serial,m_thread_request[i]); printf("位置[%2d]:%3d\n",BufferPos,Buffer_Critical[BufferPos]); ReleaseSemaphore(empty_semaphore,1,NULL); } else{printf("消费者%2d消费完毕%2d.\n",m_serial,m_thread_request[i]); }//离开临界区 LeaveCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]); }}5.测试结果图5-1测试结果图图5-1测试结果图其中测试数据是：21P12P23P34C4325C516.结果分析1、在每个程序中坐须先做P(mutex)，后做V(mutex)，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。3、无论在生产者进程中还是在消费者进程中，两个P操作的次序不能颠倒:应先执行同步信号量的P操作，然后执行互斥信号量的P操作。否则可能造成进程死锁。7.总结和体会.此系统中使用的是用VC++6.0实现的，由于我的经验不足及阅历颇浅，