生产者消费者问题操作系统课程设计报告

1、-. z. . . . 资料 . .目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc4406165241 绪论 PAGEREF _Toc440616524 h 3HYPERLINK l _Toc4406165251.1 实现的功能 PAGEREF _Toc440616525 h 3HYPERLINK l _Toc4406165261.2 P V 操作 PAGEREF _Toc440616526 h 3HYPERLINK l _Toc4406165272 生产者消费者问题。 PAGEREF _Toc440616527 h 4HYPERLINK l _Toc440616528

2、2.1 要求 PAGEREF _Toc440616528 h 4HYPERLINK l _Toc4406165292.2 生产者和消费者两个进程的程序 PAGEREF _Toc440616529 h 4HYPERLINK l _Toc4406165302.3进程控制块PCB。 PAGEREF _Toc440616530 h 5HYPERLINK l _Toc4406165312.4处理器的模拟。 PAGEREF _Toc440616531 h 5HYPERLINK l _Toc4406165322.5程序设计 PAGEREF _Toc440616532 h 6HYPERLINK l _Toc4

3、406165333设计步骤 PAGEREF _Toc440616533 h 7HYPERLINK l _Toc4406165343.1课程分析 PAGEREF _Toc440616534 h 7HYPERLINK l _Toc4406165353.1.2 流程图 PAGEREF _Toc440616535 h 7HYPERLINK l _Toc4406165363.1.3 测试程序 PAGEREF _Toc440616536 h 9HYPERLINK l _Toc440616537测试结果分析 PAGEREF _Toc440616537 h 14HYPERLINK l _Toc44061653

4、85 结论 PAGEREF _Toc440616538 h 15HYPERLINK l _Toc440616539参考文献 PAGEREF _Toc440616539 h 161 绪论生产者-消费者问题是一个经典的进程同步问题，该问题最早由Dijkstra提出，用以演示他提出的信号量机制。模拟实现用同步机构防止发生进程执行时可能出现的与时间有关的错误。进程是程序在一个数据集合上运行的过程，进程是并发执行的，也即系统中的多个进程轮流地占用处理器运行。我们把假设干个进程都能进展和修改的那些变量称为公共变量。由于进程是并发地执行的，所以，如果对进程公共变量不加限制，则就会产生“与时间有关的错误，即进

5、程执行后所得到的结果与公共变量的时间有关。为了防止这类错误，系统必须要用同步机构来控制进程对公共变量的。一般说，同步机构是由假设干条原语同步原语所组成。本实习要求学生模拟PV操作同步机构的实现，模拟进程的并发执行，了解进程并发执行时同步机构的作用。1.1 实现的功能生产者-消费者问题是一个经典的进程同步问题，有m个生产者和n个消费者，它们共享可存放k件产品的缓冲区。生产者进程生产物品，然后将物品放置在一个空缓冲区中，供消费者进程消费。消费者进程从缓冲区中获得物品，然后释放缓冲区。当生产者进程生产物品时，如果没有空缓冲区可用，则生产者进程必须等待消费者线程释放出一个空缓冲区。当消费者进程消费物品

6、时，如果没有满的缓冲区，则消费者进程将被阻塞，直到新的物品被生产出来。1.2 P V 操作(1) PV操作同步机构，由P操作原语和V操作原语组成，它们的定义如下：P操作原语P (s)：将信号量s减去1，假设结果小于0，则执行原语的进程被置成等待信号量s的状态。V操作原语V (s)：将信号量s加1，假设结果不大于0，则释放一个等待信号量s的进程。这两条原语是如下的两个过程：procedure P (var s: semaphore);begin s: = s-1; if s0 then W (s)end pprocedure V(var s: semaphore);egin s: = s+1;

7、if s0 then R (s)end v其中Ws表示将调用过程的进程置为等待信号量s的状态；Rs表示释放一个等待信号量s的进程。在系统初始化时应把semaphore定义为*个类型，为简单起见，在模拟实习中可把上述的semaphore直接改成integer。2 生产者消费者问题。2.1 要求假定有一个生产者和一个消费者，生产者每次生产一件产品，并把生产的产品存入共享缓冲器以供消费者取走使用。消费者每次从缓冲器取出一件产品去消费。制止生产者将产品放入已满的缓冲器，制止消费者从空缓冲器以产品。假定缓冲器可同时存放10件产品。则，用PV操作来实现生产者和消费者之间的同步2.2生产者和消费者两个进程的

8、程序B: array 0.9 of products;s1, s2; semaphore;s1: =10, s2: =0;in, out: integer;in: =0; out: =0;cobegin procedure producer; c: products; beginL1:produce (c); P (s1); Bin: =C;in: =(in+1)mod 10; V (s2); goto L1 end; procedure consumer; *: products; begin L2: P(s2); *: =Bout; out: =(out+1) mod10; v (s1);

9、 consume (*); goto L2 end;coend.其中的semaphore和products是预先定义的两个类型，在模拟实现中semaphore用integer代替，products可用integer或char等代替。2.3进程控制块PCB。为了记录进程执行时的情况，以及进程让出处理器后的状态，断点等信息，每个进程都有一个进程控制块PCB。在模拟实习中，假设进程控制块的构造如图1。其中进程的状态有：运行态、就绪态、等待态和完成态。当进程处于等待态时，在进程控制块PCB中要说明进程等待原因在模拟实习中进程等待原因是为等待信号量s1或s2；当进程处于等待态或就绪态时，PCB中保存了断

10、点信息，一旦进程再度占有处理器则就从断点位置继续运行；当进程处于完成状态，表示进程执行完毕。进程名状态等待原因断点图1 进程控制块构造2.4处理器的模拟。计算机硬件提供了一组机器指令，处理器的主要职责是解释执行机器指令。为了模拟生产者和消费者进程的并发执行，我们必须模拟一组指令和处理职能。模拟的一组指令见图2，其中每条指令的功能由一个过程来实现。用变量PC来模拟“指令计数器，假设模拟的指令长度为1，每执行一条模拟指令后，PC加1，提出下一条指令地址。使用模拟的指令，可把生产者和消费者进程的程序表示为图3的形式。定义两个一维数组PA0.4和SA0.4，每一个PAi存放生产者程序中的一条模拟指令执

11、行的入口地址；每个SAi存放消费者程序中的一条模拟指令执行的入口地址。于是模拟处理器执行一条指令的过程为：取出PC之值，按PAPC或SAPC得模拟指令执行的入口地址，将PC之值加1，转向由入口地址确定的相应的过程执行。2.5程序设计实习中的程序由三局部组成：初始化程序、处理器调度程序、模拟处理器指令执行程序。各局部程序的功能及相互间的关系由图4至图7指出。模拟的指令功 能P(s) 执行P操作原语V(s) 执行V操作原语PUTBin: =product; in: = (in+1) mod 10GET*: =Bout; out: =(out+1) mod 10produce 输入一个字符放入C中c

12、onsume 打印或显示*中的字符GOTO L PC: =LNOP 空操作图2模拟的一组指令序号生产者程序消费者程序0produceP(s2)1P(s1)GET2PUTV(s1)3V(s2)consume4goto 0goto 0图3 生产者和消费者程序初始化程序：模拟实习的程序从初始化程序入口启动，初始化工作包括对信号量s1、s2赋初值，对生产者、消费者进程的PCB初始化。初始化后转向处理调度程序，其流程如图4。处理器调度程序：在计算机系统中，进程并发执行时，任一进程占用处理器执行完一条指令后就有可能被打断而让出处理器由其它进程运行。故在模拟系统中也类似处理，每当执行一条模拟的指令后，保护当

13、前进程的现场，让它成为非运行态，由处理器调度程序按随机数再选择一个就绪进程占用处理器运行。处理器调度程序流程见图5。模拟处理器指令执行程序：按“指令计数器PC之值执行指定的指令，且PC加1指向下一条指令。模拟处理器指令执行程序的流程图见图6和图7。 (a) 模拟P (s) (b) 模拟V (s)另外，为了使得模拟程序有一个完毕条件，在图6中附加了“生产者运行完毕的条件判断，模拟时可以采用人工选择的方法实现。图7给出了Ps和Vs模拟指令执行过程的流程。其它模拟指令的执行过程已在图2中指出。3设计步骤3.1课程分析3.1.1 根本原理分析假定有一个生产者和一个消费者，生产者每次生产一件产品，并把生

14、产的产品存入共享缓冲器以供消费者取走使用。消费者每次从缓冲器取出一件产品去消费。制止生产者将产品放入已满的缓冲器，制止消费者从空缓冲器以产品。假定缓冲器可同时存放10件产品。则，用PV操作来实现生产者和消费者之间的同步3.1.2 流程图本实习中的程序由三局部组成：初始化程序、处理器调度程序、模拟处理器指令执行程序。各局部程序的功能及相互间的关系由图初始化流程初始化程序：模拟实习的程序从初始化程序入口启动，初始化工作包括对信号量s1、s2赋初值，对生产者、消费者进程的PCB初始化。初始化后转向处理调度程序，其流程如图3-4。模拟处理器调度处理器调度程序：在计算机系统中，进程并发执行时，任一进程占

15、用处理器执行完一条指令后就有可能被打断而让出处理器由其它进程运行。故在模拟系统中也类似处理，每当执行一条模拟的指令后，保护当前进程的现场，让它成为非运行态，由处理器调度程序按随机数再选择一个就绪进程占用处理器运行。模拟处理器指令执行模拟处理器指令执行程序：按“指令计数器PC之值执行指定的指令，且PC加1指向下一条指令。模拟处理器指令执行程序的流程图模拟PV操作的执行生产者运行完毕的条件判断，模拟时可以采用人工选择的方法实现。3.1.3 测试程序*include *include *include *include *define NULL 0struct spcb char name; cha

16、r state; char why; int dd ;typedef struct spcb pcb;pcb producter,consumer,*process,*process1;int s1,s2,i,j,in,out,pc,m;char array10;char c,*;int pa6,sa6;int p(int s) /* p操作原语 */s=s-1;if(sstate=B; /* B表示阻塞*/process-why=s;elseprocess-state=W; /* W表示就绪*/return(s);int v(int s) /*v操作原语*/s=s+1;if(sstate=W

17、;process-state=W;return(s);char RanChar()char arr10=a,b,c,d,e,f,g,h,i,j;return arrabs(rand()%10);void put()/printf(n please product anychar!);/scanf(n%c,&c);Sleep(1000);arrayin=RanChar();in=(in+1)%10;printf( product a char is %c!n ,arrayin-1);int k = 0; for(m=0;m10;m+)if (arraym!= ) printf(%c,arraym

18、);k = k+1; printf(缓冲池中有%d个产品n,k);void get()Sleep(1000);*=arrayout; printf(n%c get a char fron buffer,*);printf(n); arrayout= ;out=(out+1)%10; int k = 0; for(m=0;mname); printf(|%ct,process-state); printf(|%ct,process-why); printf(|%dt,process-dd);printf(n); void init()/*初始化程序*/s1=10;/*s1表示空缓冲区的数量*/s

19、2=0; /*s2表示满缓冲区的数量*/=p;/*对生产者进程初始化*/producter.state=W;producter.why= ;producter.dd=0;=c;/*对消费者进程初始化*/consumer.state=W;consumer.why= ;consumer.dd=0;for(int k=0;k10;k+)arrayk = ;void bornpa() /*将生产者程序装入pa中*/for(i=0;i=3;i+) pai=i;void bornsa()/*将消费者程序装入sa中*/for(i=0;idd;i=pc;/*此时把PC的值付给I*/if(process-name=p)&(process-state=W)j=pai;pc=i+1;sw