操作系统生产者和消费者课程设计.doc

操作系统课程设计生产者和消费者问题实践系 院：计算机科学系学生姓名： 学 号：专 业：计算机科学与技术年 级：完成日期：xxxx年xx月指导教师：一、课程设计的性质与任务1、加深对并发协作进程同步与互斥概念的理解。2、培养学生能够独立进行知识综合，独立开发较大程序的能力。3、培养提高学生软件开发能力和软件的调试技术。4、培养学生开发大型程序的方法和相互合作的精神。5、培养学生的创新意识。6、培养学生的算法设计和算法分析能力。7、培养学生对问题进行文字论述和文字表达的能力。二、课程设计的内容及其要求1、可利用临界区（CCriticalSection）、 事件（CEvent）、 信号量（CSemaphore）来实现进程的同步。2、根据生产者和消费者问题的特性做好软件实现的需要分析。3、可根据问题的实际需要，来改变对信号量的使用及数量和初值的赋值。4、当系统运行时，能直观地、动态地反映当前线程运行的状态和信号量的变化。5、要求系统能满足能多进程的并发与互斥。6、要求在系统安全状态的前提下，兼顾各个进程的公平。三、课程设计的时间安排 课程设计总时间：8学时四、课程设计的实验环境硬件环境：CPU Intel(R) Core2 Duo E4600 2.40GHz，内存 DDR2 1.00GB，硬盘 7200转 160G ，光驱 16X DVD 软件环境：Windows XP SP SP3, Visual C+ 6.0 五、正文1、实验程序的结构图（流程图）；生产者：消费者：2、数据结构及信号量定义的说明； #define Size 20 struct huan int isHave; /标记缓冲区是否有内容,有内容时,消费者才可以使用, /没内容时,生产者才 可以往缓冲区内写东西 /0表示没有内容,1表示有内容 int jud; /标志缓冲区是否在被使用中,0代表未被使用,1表示使用中 int context; /缓冲的内容 ;描叙生产者或消费者： struct person int end; /记录是否完成任务,0表示完成，1表示未完成任务 char * name; /*线程名*/ pthread_t thread; /*线程句柄*/ ;3、实验的步骤；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。因为有多个缓冲区，所以生产者线程没有必要在生成新的数据之前等待最后一个数据被消费者线程处理完毕。同样，消费者线程并不一定每次只能处理一个数据。在多缓冲区机制下，线程之间不必互相等待形成死锁，因而提高了效率。多个缓冲区就好像使用一条传送带替代托架，传送带上一次可以放多个产品。生产者在缓冲区尾加入数据，而消费者则在缓冲区头读取数据。当缓冲区满的时候，缓冲区就上锁并等待消费者线程读取数据；每一个生产或消费动作使得传送带向前移动一个单位，因而，消费者线程读取数据的顺序和数据产生顺序是相同的。可以引入一个count计数器来表示已经被使用的缓冲区数量。用hNotEmptyEvent 和NotFullEvent 来同步生产者和消费者线程。每当生产者线程发现缓冲区满（ count=BufferSize ），它就等待hNotEmptyEvent 事件。同样，当消费者线程发现缓冲区空，它就开始等待hNotEmptyEvent。生产者线程写入一个新的数据之后，就立刻发出hNotEmptyEvent 来唤醒正在等待的消费者线程；消费者线程在读取一个数据之后，就发出hNotFullEvent 来唤醒正在等待的生产者线程。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。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，所以还需要再设置一个互斥信号量g_hMutex，起初值为1。在生产者/消费者问题中，信号量实现两种功能。首先，它是生产产品和消费产品的计数器，计数器的初始值是可利用的资源数目(有界缓冲区的长度)。其次，它是确保产品的生产者和消费者之间动作同步的同步器。生产者要生产一个产品时，首先对资源信号量g_hFullSemaphore和互斥信号量g_hMutex进行P操作，申请资源。如果可以通过的话，就生产一个产品，并把产品送入缓冲区。然后对互斥信号量g_hMutex和资源信号量g_hEmptySemaphore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g_hEmptySemaphore和互斥信号量g_hMutex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g_hMutex和资源信号量g_hFullSemaphore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。 4、实验源程序关键算法；/本程序于2009-12-03.在VC+6.0下运行通过/系统环境：Windows XP#include #include const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 20;/有界缓冲区长度int g_bufferSIZE_OF_BUFFER;/开辟缓冲区，用数组表示，可以看成是一个循环队列unsigned short ProductID = 0;/新生产出来的产品的产品号unsigned short ConsumeID = 0;/被消耗的产品的产品号unsigned short in = 0;/产品进缓冲区时的缓冲区下标，用于记录生产者的指针位置unsigned short out = 0;/产品出缓冲区时的缓冲区下标，用于记录消费者的指针位置bool g_continue = 1;/控制程序运行：1表示继续运行，0表示停止运行HANDLE g_hMutex;/线程间的互斥信号量HANDLE g_hFullSemaphore;/资源信号量：缓冲区满HANDLE g_hEmptySemaphore;/资源信号量：缓冲区空DWORD WINAPI Producer(LPVOID);/生产者线程DWORD WINAPI Consumer(LPVOID);/消费者线程const unsigned short PRODUCERS_COUNT=4;/生产者的个数const unsigned short CONSUMERS_COUNT=3;/消费者的个数const unsigned short THREADS_COUNT=PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT;/总线程数HANDLE hThreadsPRODUCERS_COUNT;/各线程的handleDWORD producerIDCONSUMERS_COUNT;/生产者线程的标识符DWORD consumerIDTHREADS_COUNT;/消费者线程的标识符/*-程序提示信息开始-*/void info()/程序提示信息std:cout* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - *std:endl;std:cout| 题 目:生产者消费者问题 |std:endl;std:cout| 指导老师:周敏 |std:endl;std:cout| 作 者:李江超、李晓巍 |std:endl;std:cout| 代码行数:200+ |std:endl;std:cout| 班 级:0237-2 |std:endl;std:cout| 完成日期:2009-12-03 |std:endl;std:cout* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - *std:endl;std:coutstd:endl按回车键继续;getchar();/*-程序提示信息结束-*/*-生产一个产品开始-*/生产一个产品，输出其ID号void Produce()std:coutstd:endl;std:cerr生产一个产品: +ProductID;std:coutstd:endl;/*-生产一个产品结束-*/*-把新生产的产品放入缓冲区开-*/把新生产的产品放入缓冲区void Append()std:cerr把生产的产品送入缓冲区;g_bufferin=ProductID;in=(in+1)%SIZE_OF_BUFFER;std:cerrstd:endl;std:cout缓冲区 产品 生产者/消费者std:endl;/新产品放入缓冲区后，输出缓冲区当前的状态for(int i=0;iSIZE_OF_BUFFER;+i) /输出缓冲区下标if (i10)std:couti g_bufferi;elsestd:couti g_bufferi;if(i=in)if(g_bufferi10)std:cout ;elsestd:cout ;std:cout - 生产者;/输出生产者的指针位置if(i=out)if(g_bufferi10)std:cout ;elsestd:cout ;std:cout - 消费者;/输出消费者的指针位置std:coutstd:endl;/*-把新生产的产品放入缓冲区结-*/*-消费一个产品开始-*/void Consume()/消费一个产品std:coutstd:endl;std:cerr消费一个产品: ConsumeID;std:coutstd:endl;/*-消费一个产品结束-*/*-从缓冲区中取出一个产品开始-*/从缓冲区中取出一个产品void Take()std:coutstd:endl;std:cerr从缓冲区取出一个产品;ConsumeID=g_bufferout;out=(out+1)%SIZE_OF_BUFFER;std:cerrstd:endl;std:coutstd:endl;std:cout缓冲区 产品 生产者/消费者std:endl;/取出一个产品后，输出缓冲区当前的状态for(int i=0;iSIZE_OF_BUFFER;+i) /输出缓冲区下标if(i10)std:couti g_bufferi;elsestd:couti g_bufferi;if(i=in)if(g_bufferi10)std:cout ;elsestd:cout ;std:cout - 生产者;/输出生产者的指针位置if(i=out)if(g_bufferi10)std:cout ;elsestd:cout ;std:cout - 消费者;/输出消费者的指针位置std:coutstd:endl;/*-从缓冲区中取出一个产品结束-*/*-生产者线程开始-*/生产者线程DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara) while(g_continue)/资源信号量的P操作WaitForSingleObject(g_hFullSemaphore,INFINITE); /互斥信号量的P操作WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); /生产一个产品Produce();/把新生产的产品放入缓冲区Append();Sleep(2000);/互斥信号量的V操作ReleaseMutex(g_hMutex); /资源信号量的V操作ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore,1,NULL); return 0;/*-生产者线程结束-*/*-消费者线程开始-*/消费者线程DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara) while(g_continue)/资源信号量的P操作WaitForSingleObject(g_hEmptySemaphore,INFINITE); /互斥信号量的P操作WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); /从缓冲区中取出一个产品Take();/消费一个产品Consume();Sleep(2000);/互斥信号量的V操作ReleaseMutex(g_hMutex); /资源信号量的V操作ReleaseSemaphore(g_hFullSemaphore,1,NULL); return 0;/*-消费者线程结束-*/*-创建生产者线程开始-*/void createPT()/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)g_continue=0;/*-创建生产者线程结束-*/*-创建消费者线程开始-*/void createCT()/创建消费者线程for (int j=0;jCONSUMERS_COUNT;+j)hThreadsPRODUCERS_COUNT+j=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumerIDj);if (hThreadsj=NULL)g_continue=0;/*-创建消费者线程结束-*/*-主函数开始-*/void main()/显示程序提示信息info();/创建互斥信号量g_hMutex=CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); /创建资源信号量g_hFullSemaphore=CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL);g_hEmptySemaphore=CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL);/创建生产者线程createPT();/创建消费者线程createCT();/不按回车键的话程序会一直运行下去while(g_continue) /按回车键终止程序if(getchar()g_continue = 0;/*-主函数结束-*/5、实验运行图；截图一：截图二：截图三：6、实验结果分析；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，所以还需要再设置一个互斥信号量g_hMutex，起初值为1。在生产者/消费者问题中，信号量实现两种功能。首先，它是生产产品和消费产品的计数器，计数器的初始值是可利用的资源数目(有界缓冲区的长度)。其次，它是确保产品的生产者和消费者之间动作同步的同步器。生产者要生产一个产品时，首先对资源信号量g_hFullSemaphore和互斥信号量g_hMutex进行P操作，申请资源。如果可以通过的话，就生产一个产