操作系统课程设计生产者消费者

湖北民族学院信息工程学院 11 级计算机专业操作系统课程设计 1 操作系统课程设计 生 产 者 和 消 费 者 学生姓名 学生学号 班 级 0311401 02 03 04 班制 二 一三年十二月 湖北民族学院信息工程学院 11 级计算机专业操作系统课程设计 2 1 课程题目分析 这个题目是生产者向消费者提供商品 消费者消耗商品 并且两组人共用 同一缓冲区 生产者提供了商品之后消费者才能去取商品 消费者若不取走商 品则当缓冲区用完之后生产者则不能再向缓冲区中添加新的商品 思考问题 1 对于生产者进程 每产生一个数据 则需去访问共用缓冲区是否有已 满 未满则可以将该数据存入并通知消费者进程 否则不能 2 对于消费者进程 每当想去消费 取出数据 时 则需访问缓冲区是 否为空 为空则不能消费 取出数据 否则可以取 并通知生产者 3 缓冲区是个临界资源 所有的进程对于该空间都是共享的 所以 还 有互斥问题存在 2 课程设计目的 通过实验模拟生产者与消费者之间的关系 了解并掌握他们之间的关系及 原理 由此增加对进程同步问题的了解 1 掌握基本的同步互斥算法 理解生产者与消费者模型 2 了解 windows 中多线程 多进程 的并发执行机制 线程 进程 间 的同步于互斥 3 学习使用 windows 中基本的同步对象 掌握相应的 API 3 课程设计内容 有 n 个生产者和 m 个消费者 连接在具有 k 个单位缓冲区的有界环转缓冲 上 故又称有界缓冲问题 其中 Pi和 Cj都是并发进程 只要缓冲区未满 生产 者进程 Pi所生产的产品就可投入缓冲区 类似地 只要缓冲区非空 消费者进 程 Cj就可以从缓冲区取走并消耗产品 4 开发环境 操作系统 Windows 系统 编写语言 C 语言 5 系统分析设计 1 算法原理 生产者 消费者问题是典型的进程同步问题 这些进程必须按照一定的 生产率和消费率来访问共享缓冲区 用 P V 操作解决生产者和消费者共享单缓 冲区的问题 可设置两个信号量 empty 和 full 其初值分别为 1 和 0 empty 指示能否向缓冲区放入产品 full 指示能否从缓冲区取出产品 为了使其协调 工作 必须使用一个信号量 mutex 初值为 1 以限制生产者和消费者互斥地 对缓冲区进行存取 另用两个信号量 empty1 初值为缓冲区大小 和 湖北民族学院信息工程学院 11 级计算机专业操作系统课程设计 3 full1 初值为 0 以保证生产者不向已满的缓冲区中放入产品 消费者不从 空缓冲区中取产品 2 功能描述 生产者功能描述 在同一个进程地址空间内执行两个线程 生产者线程生 产物品 然后将物品放置在一个空缓冲区中供消费者线程消费 当生产者线程 生产物品时 如果没有空缓冲区可用 那么生产者线程必须等待消费者线程释 放出一个空缓冲区 消费者功能描述 消费者线程从缓冲区获得物品 然后释放缓冲区 当消 费者线程消费物品时 如果没有满的缓冲区 那么消费者线程将被阻塞 直到 新的物品被生产出来 3 算法流程图 生产者流程图 消费者流程图 总的流程图 湖北民族学院信息工程学院 11 级计算机专业操作系统课程设计 4 开始 Int i 1 n 键盘输入数字 初始化 n i 0 退出 Y 键盘输入数 字 改变i的值 i 1 i 2 producer b consumer b i 3 N N YY i 4 showbuf b cout 成功退出程 序 endl i 5 N N delete b 键盘输入数值改变n 的值 b new SeqSquare n YYY N cout 请输入正 确的菜单项进行 操作 P 1 void consumer SeqSquare a 消费者操作 a V 1 缓冲区显示 void showbuf SeqSquare a int i a getSize 湖北民族学院信息工程学院 11 级计算机专业操作系统课程设计 6 3 在实现本程序的生产者消费者模型时 具体地通过以下同步对象实现互斥 设一个互斥量 Mutex 以实现生产者在查询和保留缓冲区的下一个空位 置时进行互斥 每一个生产者用一个信号量与消费者同步 通过设置 Full 实现 该组信 号量用于表示相应产品以生产 同时用一个表示空缓冲区数目的信号量 Empty 进行类似的同步 指示缓冲区中是否存在空位置 以便开始生产下一个产品 4 调试过程 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 Full 表示 其初值为用户输入的缓冲区的大小 另一个表示 缓冲区中产品的数目 用 Empty 表示 其初值为 0 另外 由于缓冲区是一个临 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 其初值为 1 在生产者 消费者问题中 信号量实现两种功能 首先 他是生产产品和 消费产品的计数器 计数器的初值是可使用的资源数目 缓冲区的长度 其次 他是确保产品的生产者和消费者之间的动作同步的同步器 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 就生产一个产品 并把产品送人缓 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 5 参考资料 操作系统教程 孙钟秀 高等教育出版社 C 程序设计 谭浩强 高等教育出版社 6 运行实例及结果分析 1 运行实例 缓冲区大小为 3 先生产一件产品 显示缓冲区 再接着生产一件产品 消 耗一件产品 显示缓冲区 在消耗两件产品 再生产 4 件产品 改变缓冲区的 大小为 6 显示缓冲区 选择一个未出现的选项 退出程序 2 结果显示 湖北民族学院信息工程学院 11 级计算机专业操作系统课程设计 7 湖北民族学院信息工程学院 11 级计算机专业操作系统课程设计 8 3 结果分析 1 在每个程序中需要先做 P 后做 V 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 七 个人体验 虽然我也很想用 java 语言写这个程序 但是由于自己学艺不精 所以只能 用 C 写 通过这个实验我发现我以前有很多知识都忘记了 重新拿起课本学 湖北民族学院信息工程学院 11 级计算机专业操作系统课程设计 9 习时发现原来很多不懂得问题都有了新的认识 有一种豁然开朗的感觉 也为 我考研开了一个好的开头 我认为我完成的这个设计做的比较出色的地方是对 C 语言中类以及数组 的运用 其实这里我对数组的操作是按照 先进先出 的方法进行运作的 这 是参考了栈的工作原理 因为缓冲区一般也是堆栈 比较符合设计要求 这次实验中我感觉做的很粗糙 自己所想的模拟过程的确得到实现了 但 是感觉灵活性不太高 思考还不过全面 应该以后多注意一下 多考虑考虑才 是 在这次实验中我重新将 C 程序设计 和 数据结构 的几个重要章节复 习了一遍 对类 数组 C 的 I O 流类库以及堆栈的语句格式 注意细节都再 一次熟悉 感觉蛮有趣的 不过 在编程过程中许多语句的小问题还真是出现 不少 而且感觉自己对 C 强大丰富的语句方法用得太呆板 不够灵活 总是 想到那些常用的 而忽略了颗粒让语句更简短的方法 以后要多多注意才是 8 附录 生产者消费者1 cpp Defines the entry point for the console application include stdafx h include iostream using namespace std class SeqSquare public SeqSquare int n SeqSquare void P int x p操作 void V int x v操作 bool IsEmpty 判断是否为空 bool IsFull 判断是否已满 void deca void decb int getSize int getmaxSize int gettop int geta int getb protected private int elements int top a b maxSize 湖北民族学院信息工程学院 11 级计算机专业操作系统课程设计 10 bool SeqSquare IsEmpty 判断是否为空 return top 1 true false bool SeqSquare IsFull 判断是否已满 return top maxSize 1 true false void SeqSquare deca a void SeqSquare decb b int SeqSquare getSize return top 1 int SeqSquare getmaxSize return maxSize int SeqSquare gettop return top int SeqSquare geta return a int SeqSquare getb 湖北民族学院信息工程学院 11 级计算机专业操作系统课程设计 11 return b SeqSquare SeqSquare int n top 1 a b 0 maxSize n elements new int maxSize void SeqSquare P int x if IsFull true a a 1 else elements top x void SeqSquare V int x if IsEmpty true b b 1 else x elements top 湖北民族学院信息工程学院 11 级计算机专业操作系统课程设计 12 void producer SeqSquare a 生产者操作 a P 1 void consumer SeqSquare a 消费者操作 a V 1 SeqSquare SeqSquare delete elements 缓冲区显示 void showbuf SeqSquare a int i a getSize int main int i n cout 请输入缓冲区大小 n SeqSquare s s new SeqSquare n while i 4 cout 请选择操作 endl cout 1 生产一件产品 2 消费一件产品 endl cout 3 显示缓冲区 4 退出系统 endl cout 5 需要改变缓冲区大小 i switch i case 1 producer s if s geta 0 湖北民族学院信息工程学院 11 级计算机专业操作系统课程设计 13 cout endl 成功生产一件商品 endl endl else cout endl 没有空间供生产者生产 endl deca break case 2 consumer s if s getb 0 cout endl 成功消费一件商品 endl endl else cout endl 没有产品供消费者消费 endl endl break case 3 showbuf s cout endl