用多线程同步方法解决生产者-消费者问题操作系统课设

1、题目 学院 专业 班级 姓名 指导教师学 号：课程设计用多线程同步方法解决生产者消费 者问题 (Producer-Consumer Problem)计算机科学与技术学院软件工程目录1.1.目录 课程设计任务书正 文 21. 设计目的与要求 2.1.1 设计目的 2.1.2 设计要求 2.2. 设计思想及系统平台 2.2.1 设计思想 2.2.2 系统平台及使用语言 2.3. 详细算法描述 3.4. 源程序清单 5.5. 运行结果与运行情况 1.06. 调试过程 1.3.7.总结1.3.本科生课程设计成绩评定表错. 误！未定义书签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

2、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

3、。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 （ 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目标文件名源文件名指

4、导教师签名：年 月 日系主任（或责任教师）签名：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 Semaph

5、ore.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

6、,所以 非空是一种稀缺资源 ;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 con

7、sumer_semaphore=；0int 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();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); Cons

8、ume=buffercn; cn=(cn+1)%MAX_BUFFER; Signal(producer_semaphore); Signal(buffer_mutex);Sleep(); 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 源程序清单如下：#include#include#include#include#include #include #in

9、clude #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_

10、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;iNU

11、M_THREADS_P;i+) pthread_cancel(threads_pi);for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+) 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(&producer_semaphore,0,MAX_BUFFER); /*set the value of semaphores*/ sem_init(&consumer_semaphore

12、,0,0);sem_init(&buffer_mutex,0,1);for(i=0;iMAX_BUFFER;i+)bufferi=0; /*initiate the buffer*/*create the threads*/for(i=0;iNUM_THREADS_P;i+) pthread_create(&threads_pi,NULL,(void*)producer_thread,(void*)(i+1);for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+) pthread_create(&threads_ci,NULL,(void*)consumer_thread,(void *)(i+

13、1);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(&producer_semaphore); sem_destroy(&consumer_semaphore);sem_destroy(&buffer_mutex)

14、;fclose(fd);return 0;void *producer_thread(void *tid)/*the thread can be canceled by other thread*/ pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL); while(1)sem_wait(&producer_semaphore);srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%2+1); /*one or two seconds to produce*/ while(produce_pointer+1)%2

15、0=consume_pointer);sem_wait(&buffer_mutex);bufferproduce_pointer=rand()%20+1; produce_pointer=(produce_pointer+1)%20;if(produce_pointer=0) /*if buffer was filled to the 19th*/printf(producer:%dpointer_p:%2dproduced:%2dn,(int)tid,19,buffer19);fprintf(fd,producer:%dpointer_p:%2dproduced:%2dn,(int)tid,

16、19,buffer19);elseprintf(producer:%dpointer_p:%2dproduced:%2dn,(int)tid,produce_pointer-1,bufferproduce_pointer-1);fprintf(fd,producer:%dpointer_p:%2dproduced:%2dn,(int)tid,produce_pointer-1,bufferproduce_pointer-1);showbuf();sem_post(&buffer_mutex);sem_post(&consumer_semaphore); /*inform the consume

17、r the buffer is notempty*/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(&consumer_s

18、emaphore); srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%2+1); /*one or two seconds to consume*/ sem_wait(&buffer_mutex);printf(consumer:%dpointer_c:%2dconsumed:%2dn,(int)tid,consume_pointer,bufferconsume_pointer);fprintf(fd,consumer:%dpointer_c:%2dconsumed:%2dn,(int)tid,consume_pointer,bufferconsume_

19、pointer);bufferconsume_pointer=0;consume_pointer=(consume_pointer+1)%20;showbuf();sem_post(&buffer_mutex);sem_post(&producer_semaphore);srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%5+1); /*wait a few seconds ,then continue consuming*/return (void*)0);/*show the content of buffer*/void showbuf()int i;

20、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:20 buffer: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:13 buffer:20 13 0 0 0 0 0 0 0

21、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p: 2 produced: 6 buffer: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:14 buffer: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:20 buffer:20 13 6 14 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:2 pointer_

22、c: 0 consumed:20 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

23、 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

24、: 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:20 buffer: 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: 6 buffer: 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: 1 buffer: 0 0 0 0 0 0 0 14 6 0

25、0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:5 pointer_p: 9 produced: 8 buffer: 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:14 buffer: 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: 6 buffer: 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 pro

26、duced:18buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 18 0 0 0 0 0 0 0 0 0consumer: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

27、 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:10

28、buffer: 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 co

29、nsumer: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

30、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 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 p

31、ointer_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

32、 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 0producer: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 pr

33、oduced: 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。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