用多线程同步方法解决生产者-消费者问题操作系统课设

学 号： 课 程 设 计题 目 用多线程同步方法解决生产者消费 者问题 (Producer-Consumer Problem)学 院 计算机科学与技术学院专 业 软件工程班 级姓 名 指导教师 年 月 日武汉理工大学操作系统课程设计说明书目 录目 录 1课程设计任务书 1正 文 21.设计目的与要求 21.1 设计目的 21.2 设计要求 22.设计思想及系统平台 22.1 设计思想 22.2 系统平台及使用语言 33.详细算法描述 34.源程序清单 65.运行结果与运行情况 96.调试过程 117.总结 12本科生课程设计成绩评定表 13武汉理工大学操作系统课程设计说明书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消费者问题 (Producer-Consumer Problem) 初始条件：1 操作系统：Linux2 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 0。放入取出的数据项按增序设定为120 这 20 个整型数。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，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）给出用户名、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 -lpthread -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 日武汉理工大学操作系统课程设计说明书正 文1.设计目的与要求1.1 设计目的通过研究 Linux 的线程机制和信号量实现生产者消费者问题(Producer-Consumer Problem)的并发控制。1.2 设计要求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/消费者对该存储区进行操作后，即时显示该存储区的全部内容、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/消费者之间须共享对存储区进行操作的函数代码。2.设计思想及系统平台2.1 设计思想在本问题中,共需要一个 Mutex 和两个 Semaphore.其中,Mutex 是用来锁定临界区的,以解决对共享数据 buffer 的互斥访问问题(无论是对生成者还是对消费者);我们共需要两个 Semaphore,这是因为在本问题中共有两个稀缺资源.第一种是“非空 “这种资源 ,是在消费者之间进行竞争的 .第二种是“非满 “这种资源 ,是在生产者之间进行竞争的 .所以,一般来说,需要锁定临界区,就需要 Mutex;有几种稀缺资源就需要几个 Semaphore.对稀缺资源的分析不能想当然.稀缺资源不一定是指被共享的资源,很多时候是指线程会被阻塞的条件(除了要进临界区被阻塞外).在生产者消费者问题中,消费者会在缓冲区为空时被阻塞,所以“非空“ 是一种稀缺资源;武汉理工大学操作系统课程设计说明书需要设置一个信号量 consumer_semaphore,初值设为 0;生产者会在缓冲区为满时被阻塞,所以“非满“ 也是一种稀缺资源 .需要设置一个信号量 producer_semaphore,初值设为 buffer 的大小 MAX_BUFFER2.2 系统平台及使用语言本课程设计在 Linux 操作系统下，使用 C 语言完成。用到的工具主要有 GCC 编译器和 VI 编辑器。3.详细算法描述共享数据：Semaphore buffer_mutex=1；Semaphore producer_semaphore=MAX_BUFFER；Semaphore consumer_semaphore=0；int bufferMAX_BUFFER;Producer 线程的处理函数：while(1)Wait(producer_semaphore);Wait(buffer_mutex);Bufferpn=product;pn=(pn+1)%MAX_BUFFER;Signal(consumer_semaphore);Signal(buffer_mutex);Sleep();武汉理工大学操作系统课程设计说明书producer 线程的处理函数流程图如下：consumer 线程的处理函数 :while(1)Wait(consumer_semaphore);Wait(buffer_mutex);Consume=buffercn;cn=(cn+1)%MAX_BUFFER;Signal(producer_semaphore);Signal(buffer_mutex);Sleep();武汉理工大学操作系统课程设计说明书consumer 线程的处理函数流程图如下：4.源程序清单用户名：rj070126（IP：192.168.2.254）源程序名：/home/rj070126/pc.c目标程序名：/home/rj070126/pc运行结果：/home/rj070126/output.txt武汉理工大学操作系统课程设计说明书源程序清单如下：#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#define NUM_THREADS_P 5 /*define the number of producer*/#define NUM_THREADS_C 5 /*define the number of consumer*/#define MAX_BUFFER 20 /*define the number of buffer*/#define RUN_TIME 20 /*define the run time*/int bufferMAX_BUFFER; /*difine the buffer */int produce_pointer=0,consume_pointer=0;sem_t producer_semaphore,consumer_semaphore,buffer_mutex;pthread_t threads_pNUM_THREADS_P; /*producer*/pthread_t threads_cNUM_THREADS_C; /*consumer*/FILE* fd; void *producer_thread(void *tid);void *consumer_thread(void *tid);void showbuf();void handler()int i;for(i=0;iNUM_THREADS_P;i+)pthread_cancel(threads_pi);for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+)武汉理工大学操作系统课程设计说明书pthread_cancel(threads_ci);int main()int i;signal(SIGALRM,handler);fd=fopen(“output.txt“,“w“); /*open a file to save the result*/sem_init( /*set the value of semaphores*/sem_init(sem_init(for(i=0;iMAX_BUFFER;i+)bufferi=0; /*initiate the buffer*/*create the threads*/for(i=0;iNUM_THREADS_P;i+)pthread_create(for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+)pthread_create(alarm(RUN_TIME); /*set time to run*/*wait the threads to exit*/for(i=0;iNUM_THREADS_P;i+)pthread_join(threads_pi,NULL);for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+)pthread_join(threads_ci,NULL);/*destroy the semaphores*/sem_destroy( sem_destroy(sem_destroy(fclose(fd);return 0;武汉理工大学操作系统课程设计说明书void *producer_thread(void *tid)/*the thread can be canceled by other thread*/pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL);while(1)sem_wait(srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%2+1); /*one or two seconds to produce*/while(produce_pointer+1)%20=consume_pointer);sem_wait(bufferproduce_pointer=rand()%20+1;produce_pointer=(produce_pointer+1)%20;if(produce_pointer=0) /*if buffer was filled to the 19th*/printf(“producer:%d pointer_p:%2d produced:%2dn“,(int)tid,19,buffer19);fprintf(fd,“producer:%d pointer_p:%2d produced:%2dn“,(int)tid,19,buffer19);elseprintf(“producer:%d pointer_p:%2d produced:%2dn“,(int)tid,produce_pointer-1,bufferproduce_pointer-1);fprintf(fd,“producer:%d pointer_p:%2d produced:%2dn“,(int)tid,produce_pointer-1,bufferproduce_pointer-1);showbuf();sem_post(武汉理工大学操作系统课程设计说明书sem_post( /*inform the consumer the buffer is not empty*/srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%5+1); /*wait a few seconds ,then continue producing*/return (void*)0);void *consumer_thread(void *tid)/*the thread can be canceled by other thread*/pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL);while(1)sem_wait(srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%2+1); /*one or two seconds to consume*/sem_wait(printf(“consumer:%d pointer_c:%2d consumed:%2dn“,(int)tid,consume_pointer,bufferconsume_pointer);fprintf(fd,“consumer:%d pointer_c:%2d consumed:%2dn“,(int)tid,consume_pointer,bufferconsume_pointer);bufferconsume_pointer=0;consume_pointer=(consume_pointer+1)%20;showbuf();sem_post(sem_post( srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%5+1); /*wait a few seconds ,then continue consuming*/武汉理工大学操作系统课程设计说明书return (void*)0);/*show the content of buffer*/void showbuf()int i;printf(“buffer:“);fprintf(fd,“buffer:“);for(i=0;iMAX_BUFFER;i+)printf(“%2d “,bufferi);fprintf(fd,“%2d “,bufferi);printf(“nn“);fprintf(fd,“nn“);5.运行结果与运行情况程序运行结果如下：producer:1 pointer_p: 0 produced:20buffer:20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:3 pointer_p: 1 produced:13buffer:20 13 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p: 2 produced: 6buffer:20 13 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:4 pointer_p: 3 produced:14buffer:20 13 6 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:5 pointer_p: 4 produced:20buffer:20 13 6 14 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:2 pointer_c: 0 consumed:20武汉理工大学操作系统课程设计说明书buffer: 0 13 6 14 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:1 pointer_p: 5 produced:20buffer: 0 13 6 14 20 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:1 pointer_c: 1 consumed:13buffer: 0 0 6 14 20 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:3 pointer_c: 2 consumed: 6buffer: 0 0 0 14 20 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:4 pointer_c: 3 consumed:14buffer: 0 0 0 0 20 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:5 pointer_c: 4 consumed:20buffer: 0 0 0 0 0 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:3 pointer_p: 6 produced: 1buffer: 0 0 0 0 0 20 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p: 7 produced:14buffer: 0 0 0 0 0 20 1 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:3 pointer_c: 5 consumed:20buffer: 0 0 0 0 0 0 1 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:4 pointer_p: 8 produced: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 1 14 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:5 pointer_c: 6 consumed: 1buffer: 0 0 0 0 0 0 0 14 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:5 pointer_p: 9 produced: 8buffer: 0 0 0 0 0 0 0 14 6 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:2 pointer_c: 7 consumed:14buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 6 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:5 pointer_c: 8 consumed: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:1 pointer_p:10 produced:18buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 18 0 0 0 0 0 0 0 0 0 武汉理工大学操作系统课程设计说明书consumer:1 pointer_c: 9 consumed: 8buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p:11 produced:10buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 10 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:4 pointer_p:12 produced:10buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 10 10 0 0 0 0 0 0 0 consumer:4 pointer_c:10 consumed:18buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 10 0 0 0 0 0 0 0 producer:3 pointer_p:13 produced: 3buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 10 3 0 0 0 0 0 0 consumer:3 pointer_c:11 consumed:10buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 3 0 0 0 0 0 0 consumer:2 pointer_c:12 consumed:10buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 producer:1 pointer_p:14 produced: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 6 0 0 0 0 0 consumer:1 pointer_c:13 consumed: 3buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p:15 produced:18buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 18 0 0 0 0 consumer:5 pointer_c:14 consumed: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 0 0 0 0 producer:1 pointer_p:16 produced: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 6 0 0 0 producer:3 pointer_p:17 produced:19buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 6 19 0 0 consumer:1 pointer_c:15 consumed:18buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 19 0 0 producer:5 pointer_p:18 produced: 7buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 19 7 0 武汉理工大学操作系统课程设计说明书consumer:3 pointer_c:16 consumed: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 19 7 0 producer:4 pointer_p:19 produced:14buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 19 7 14 consumer:5 pointer_c:17 consumed:19buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7 14 consumer:4 pointer_c:18 consumed: 7buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 14 producer:1 pointer_p: 0 produced: 4buffer: 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 14 consumer:2 pointer_c:19 consumed:14buffer: 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:1 pointer_c: 0 consumed: 4buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p: 1 produced:15buffer: 0 15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:3 pointer_p: 2 produced:13buffer: 0 15 13 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p: 3 produced: 3buffer: 0 15 13 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 说明： “producer:2”是指自定义标号为2的producer ， “pointer_p:3”是指该producer的指针，“produced:3”是指该producer在buffer3 里写入3， “buffer: 0 15 13 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ”是指该producer 进行写操作后存储区的内容。武汉理工大学操作系统课程设计说明书6.调试过程通过这次课程设计,不但加深了对操作系统这们课程的认识,而且还了解了操作系统中使用信号量解决生产者消费者问题算法的实现。比如：用信号量解决生产者消费者问题时，可以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。为了解决生产者/ 消费者问题，应该设置两个资源信号