消费者与生产者问题.doc

操作系统课程设计报告生产者消费者问题专业软件工程2012级学生姓名 啦啦啦学号201211025指导教师呵呵呵完成日期2014、12、17电子与信息工程学院目录1.用户文档21.1 设计原理21.2 数据定义及其详细解释31.3 课程设计的实验环境41.4 编译软件42.技术文档42.1 流程图42.2 算法及相关函数52.3 源代码清单72.4 运行截图103.本人任务及清单123.1 任务名称123.2 主要功能123.3 遇到的问题124.心得体会12题目：生产者-消费者问题的模拟实现 一、用户文档（1）设计原理通过一个有界缓冲区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取走产品。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。与计算打印两进程同步关系相同，生产者和消费者两进程P和C之间应满足下列两个同步条件： 只有在缓冲池中至少有一个缓冲区已存入消息后，消费者才能从中提取信息，否则消费者必须等待。 只有缓冲池中至少有一个缓冲区是空时，生产者才能把消息放入缓冲区，否则生产者必须等待。为了满足第一个同步条件，设置一个同步信号量full，它代表的资源是缓冲区满，它的初始值为0，它的值为n时整个缓冲池满。这个资源是消费者类进程C所有，C进程可以申请该资源，对它施加P操作，而C进程的合作进程生产者进程P对它施加V操作。同样为了满足第二个同步条件，设置另一个同步信号量empty，它代表的资源是缓冲空区，它的初始值为n，表示缓冲池中所有缓冲区空。信号量full表示可用缓冲区数量，信号量empty表示缓冲区数量，设置整型变量：存入指针in和取出指针out。为解决生产者/消费者问题，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g_hFullSemaphore表示，其初始值为有界缓冲区的大小SIZE_OF_BUFFER；另一个表示缓冲区中产品的数目，用g_hEmptySemaphore表示，其初始值为0.另外，由于有界缓冲区是一个临界资源，必须互斥使用，所以还需要在设置一个互斥信号量g_hMutex，初始值为1.P原语的主要动作是： sem减1； 若sem减一后仍大于或等于零，则进程继续执行； 若sem减一后小于零，则该进程被阻塞后入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度。V原语的操作主要动作是： sem加1； 若相加结果大于零，进程继续执行；若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程然后再返回原进程继续执行或转进程调度。采用的同步方法：1）利用函数CreateMutex(NULL,FALSE,NULL)创建互斥信号量g_hMutex，表示缓冲区当前的状态，若为true时，则表示缓冲区正被别的进程使用。三个参数表示的意义分别为：指向安全属性的指针，初始化互斥对象的所有者,指向互斥对象名的指针。2）利用函数CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL)创建缓冲区满的信号量g_hFullSemaphore，值为true时表示缓冲区已满。四个参数分别为：表示是否允许继承、设置信号机的初始计数、设置信号机的最大计数、指定信号机对象的名称（-1是因为计数从开始）。3）利用函数CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL)创建缓冲区空的信号量g_hEmptySemaphore，该值为true时表示缓冲区为空。（2）数据定义及其详细解释const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 20; /缓冲区长度 unsigned short ProductID = 0; /产品号 unsigned short ConsumeID = 0; /将被消耗的产品号 unsigned short in = 0; /产品进缓冲区时的缓冲区下标 unsigned short out = 0; /产品出缓冲区时的缓冲区下标 int g_bufferSIZE_OF_BUFFER; /缓冲区是个循环队列 bool g_continue = true; /使程序跳出循环，控制程序结束 HANDLE g_hMutex; /用于线程间的互斥 HANDLE g_hFullSemaphore; /当缓冲区满时迫使生产者等待 HANDLE g_hEmptySemaphore; /当缓冲区空时迫使消费者等待 DWORD WINAPI Producer(LPVOID); /生产者线程 DWORD WINAPI Consumer(LPVOID); /消费者线程 （3）课程设计的实验环境本实验是在硬件：个人电脑；软件：操作系统：Windows 7；开发语言： VC+ VS2012；（4）编译软件(1) 打开VC，选择菜单项file-new,选择projects选项卡并建立一个win32 console applicatoin工程；创建时注意指定创建该工程的目录；(2) 在工程中创建源文件 R_WP1.cpp：选择菜单项project-add to project-files，在选择框中输入自己想要创建的文件名，这里是 R_WP1.cpp；在接下来询问是否创建新文件时回答yes；然后通过Workspace-FileView-Source Files打开该文件，在其中编辑源文件并保存.(3) 通过调用菜单命令项build-build all进行编译连接,可以在指定的工程目录下得到debug- R_WP1.exe程序，然后把给定的test.txt文件存入该debug目录下，就可以在控制台进入该debug目录运行程序了。需要强调的是在创建数据文件时，由于涉及到文件格式问题，最好在记事本中手工逐个输入数据，而不要拷贝粘贴数据。二、技术文档（1）流程图生产者：sem=sem-1入口s=0调用进程入等待队列转进程调度返回是否消费者：入 口sem=sem-1 sem=sem-1S=0唤醒等待队列中的一个进程式返回或转进程调度 返回否是（2）算法及相关函数 /创建各个互斥信号 g_hMutex = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); /互斥信号量，三个参数表示的意义分别为：指向安全属性的指针，初始化互斥对象的所有者,指向互斥对象名的指针。 g_hFullSemaphore = CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL); /同步信号量，缓冲区满，四个参数分别为：表示是否允许继承、设置信号机的初始计数、设置信号机的最大计数、指定信号机对象的名称。 g_hEmptySemaphore = CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL); /同步信号量，缓冲区空 四个参数分别为：表示是否允许继承、设置信号机的初始计数、设置信号机的最大计数、指定信号机对象的名称。 /创建生产者线程 for (int i=0;iPRODUCERS_COUNT;+i) hThreadsi=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producerIDi); if (hThreadsi=NULL) return -1; /创建消费者线程 for (int i=0;iCONSUMERS_COUNT;+i) hThreadsPRODUCERS_COUNT+i=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumerIDi); if (hThreadsi=NULL) return -1; /生产一个产品、输出新产品的ID号void Produce() std:cerr Producing a product : +ProductID 号产品 std:endl; /把新生产的产品放入缓冲区void Append() std:cerr Appending a product : ProductID 号产品 std:endl; g_bufferin = ProductID; in = (in+1)%SIZE_OF_BUFFER; std:cerr std:endl; /输出缓冲区当前的状态 for (int i=0;iSIZE_OF_BUFFER;+i) std:cout i : g_bufferi; if (i=in) std:cout - 生产; if (i=out) std:cout - 消费; std:cout std:endl; std:cerr std:endl;/从缓冲区中取出一个产品void Take() std:cerr Taking a product : +ConsumeID 号产品 std:endl; ConsumeID = g_bufferout; out = (out+1)%SIZE_OF_BUFFER; std:cerr std:endl; /输出缓冲区当前的状态 for (int i=0;iSIZE_OF_BUFFER;+i) std:cout i : g_bufferi; if (i=in) std:cout - 生产; if (i=out) std:cout - 消费; std:cout std:endl; std:cerr std:endl;/消耗一个产品void Consume() std:cerr Consuming a product: ConsumeID 号产品 std:endl; std:cerr std:endl;/生产者算法DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara) while(g_continue) WaitForSingleObject(g_hEmptySemaphore,INFINITE); WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); Produce(); Append(); Sleep(1500); ReleaseMutex(g_hMutex); ReleaseSemaphore(g_hFullSemaphore,1,NULL); return 0;/消费者算法DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara) while(g_continue) WaitForSingleObject(g_hFullSemaphore,INFINITE); WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); Take(); Consume(); Sleep(1500); ReleaseMutex(g_hMutex); ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore,1,NULL); return 0;（3） 程序源代码清单#include #include const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 10; /缓冲区长度unsigned short ProductID = 0; /生产的产品号unsigned short ConsumeID = 0; /将被消耗的产品号unsigned short in = 0; /产品进缓冲区时的缓冲区下标unsigned short out = 0; /产品出缓冲区时的缓冲区下标int g_bufferSIZE_OF_BUFFER; /缓冲区是个循环队列bool g_continue = true; /控制程序结束HANDLE g_hMutex; /用于线程间的互斥HANDLE g_hFullSemaphore; /当缓冲区满时迫使生产者等待HANDLE g_hEmptySemaphore; /当缓冲区空时迫使消费者等待DWORD WINAPI Producer(LPVOID); /生产者算法DWORD WINAPI Consumer(LPVOID); /消费者算法int main() /创建各个互斥信号 g_hMutex = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); /互斥信号量g_hFullSemaphore = CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL); /同步信号量，缓冲区满 g_hEmptySemaphore = CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL); /同步信号量，缓冲区空 /调整数值、当生产者个数多于消费者个数时，生产速度快，生产者经常等待消费者；反之，消费者经常等待 const unsigned short PRODUCERS_COUNT = 5; /生产者的个数 const unsigned short CONSUMERS_COUNT = 3; /消费者的个数 /总的线程数 const unsigned short THREADS_COUNT = PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT; HANDLE hThreadsPRODUCERS_COUNT; /各线程的操作 DWORD producerIDCONSUMERS_COUNT; /生产者线程的标识符 DWORD consumerIDTHREADS_COUNT; /消费者线程的标识符 /创建生产者线程 for (int i=0;iPRODUCERS_COUNT;+i) hThreadsi=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producerIDi); if (hThreadsi=NULL) return -1; /创建消费者线程 for (int i=0;iCONSUMERS_COUNT;+i) hThreadsPRODUCERS_COUNT+i=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumerIDi); if (hThreadsi=NULL) return -1; /终止程序 while(g_continue) if(getchar() g_continue = false;/按回车后终止程序运行 return 0;/生产一个产品、输出新产品的ID号void Produce() std:cerr Producing a product : +ProductID 号产品 std:endl; /把新生产的产品放入缓冲区void Append() std:cerr Appending a product : ProductID 号产品 std:endl; g_bufferin = ProductID; in = (in+1)%SIZE_OF_BUFFER; std:cerr std:endl; /输出缓冲区当前的状态 for (int i=0;iSIZE_OF_BUFFER;+i) std:cout i : g_bufferi; if (i=in) std:cout - 生产; if (i=out) std:cout - 消费; std:cout std:endl; std:cerr std:endl;/从缓冲区中取出一个产品void Take() std:cerr Taking a product : +ConsumeID 号产品 std:endl; ConsumeID = g_bufferout; out = (out+1)%SIZE_OF_BUFFER; std:cerr std:endl; /输出缓冲区当前的状态 for (int i=0;iSIZE_OF_BUFFER;+i) std:cout i : g_bufferi; if (i=in) std:cout - 生产; if (i=out) std:cout - 消费; std:cout std:endl; std:cerr std:endl;/消耗一个产品void Consume() std:cerr Consuming a product: ConsumeID 号产品 std:endl; std:cerr std:endl;/生产者算法DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara) while(g_continue) WaitForSingleObject(g_hEmptySemaphore,INFINITE); WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); Produce(); Append(); Sleep(1500); ReleaseMutex(g_hMutex); ReleaseSemaphore(g_hFullSemaphore,1,NULL); return 0;/消费者算法DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara) while(g_continue) WaitForSingleObject(g_hFullSemaphore,INFINITE); WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); Take(); Consume(); Sleep(1500); ReleaseMutex(g_hMutex); ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore,1,NULL); return 0; （4）程序运