操作系統(tǒng)課程設(shè)計“生產(chǎn)者-消費者”問題(共13頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上操作系統(tǒng)課 程 設(shè) 計 題 目：“生產(chǎn)者-消費者”問題學(xué) 院：信 息 工 程 學(xué) 院 專 業(yè)：網(wǎng) 絡(luò) 工 程 班 級：姓 名:指導(dǎo)老師：2013年6月 28目錄一、課程設(shè)計目標(biāo)2二、 課題內(nèi)容2 1實驗?zāi)康? 2、實驗環(huán)境2 3、實驗要求2三、 設(shè)計思路3 1.信號量的設(shè)置3 2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4 3.程序流程圖5 4.P V操作代碼6四、 源代碼7五、 運行與測試10六、 心得體會12一、 課程設(shè)計目標(biāo) 學(xué)習(xí)System V的進程間通信機制，使用信號量和共享內(nèi)存實現(xiàn)經(jīng)典進程同步問題“生產(chǎn)者-消費者”問題。具體要求：1.創(chuàng)建信號量集，實現(xiàn)同步互斥信號量。2.創(chuàng)建共享內(nèi)存，模

2、擬存放產(chǎn)品的公共緩沖池。3.創(chuàng)建并發(fā)進程，實現(xiàn)進程對共享緩沖池的并發(fā)操作。二、 課題內(nèi)容1實驗?zāi)康模?）掌握基本的同步互斥算法，理解生產(chǎn)者和消費者同步的問題模型。（2）了解linux中多線程的并發(fā)執(zhí)行機制，線程間的同步和互斥。2、實驗環(huán)境：C/C+語言編譯器3、實驗要求（1）創(chuàng)建生產(chǎn)者和消費者線程在linux環(huán)境下，創(chuàng)建一個控制臺進程，在此進程中創(chuàng)建n個線程來模擬生產(chǎn)者或者消費者。這些線程的信息由本程序定義的“測試用例文件”中予以指定。（2）生產(chǎn)和消費的規(guī)則在按照上述要求創(chuàng)建線程進行相應(yīng)的讀寫操作時，還需要符合以下要求：共享緩沖區(qū)存在空閑空間時，生產(chǎn)者即可使用共享緩沖區(qū)。從上邊的測試數(shù)據(jù)文件例

3、子可以看出，某一生產(chǎn)者生產(chǎn)一個產(chǎn)品后，可能不止一個消費者，或者一個消費者多次地請求消費該產(chǎn)品。此時，只有當(dāng)所有的消費需求都被滿足以后，該產(chǎn)品所在的共享緩沖區(qū)才可以被釋放，并作為空閑空間允許新的生產(chǎn)者使用。每個消費者線程的各個消費需求之間存在先后順序。例上述測試用例文件包含一行信息“5 C 3 l 2 4”，可知這代表一個消費者線程，該線程請求消費1，2，4號生產(chǎn)者線程生產(chǎn)的產(chǎn)品。而這種消費是有嚴格順序的，消費1號線程產(chǎn)品的請求得到滿足后才能繼續(xù)往下請求2號生產(chǎn)者線程的產(chǎn)品。要求在每個線程發(fā)出讀寫操作申請、開始讀寫操作和結(jié)束讀寫操作時分別顯示提示信息。（3）相關(guān)基礎(chǔ)知識 本實驗所使用的生產(chǎn)者和消

4、費者模型具有如下特點： 本實驗的多個緩沖區(qū)不是環(huán)形循環(huán)的，也不要求按順序訪問。生產(chǎn)者可以把產(chǎn)品放到目前某一個空緩沖區(qū)中。 消費者只消費指定生產(chǎn)者的產(chǎn)品。 在測試用例文件中指定了所有的生產(chǎn)和消費的需求，只有當(dāng)共享緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)滿足了所有關(guān)于它的消費需求后，此共享緩沖區(qū)才可以作為空閑空間允許新的生產(chǎn)者使用。 本實驗在為生產(chǎn)者分配緩沖區(qū)時各生產(chǎn)者間必須互斥，此后各個生產(chǎn)者的具體生產(chǎn)活動可以并發(fā)。而消費者之間只有在對同一產(chǎn)品進行消費時才需要互斥，同時它們在消費過程結(jié)束時需要判斷該消費對象是否已經(jīng)消費完畢并清除該產(chǎn)品。linux用來實現(xiàn)同步和互斥的實體。在linux中，常見的同步對象有：信號量(Semap

5、hore)、互斥量(Mutex)、臨界段(CriticalSection)等。使用這些對象都分為三個步驟，一是創(chuàng)建或者初始化：接著請求該同步對象，隨即進入臨界區(qū)，這一步對應(yīng)于互斥量的上鎖；最后釋放該同步對象，這對應(yīng)于互斥量的解鎖。這些同步對象在一個線程中創(chuàng)建，在其他線程中都可以使用，從而實現(xiàn)同步互斥。三、 設(shè)計思路1.信號量的設(shè)置生產(chǎn)者進程與消費者進程是經(jīng)典的同步互斥關(guān)系。系統(tǒng)創(chuàng)建兩類進程：proceducer ()和consumer()，分別用來描述生產(chǎn)者和消費者的行為。生產(chǎn)者與消費者問題是指若干進程通過循環(huán)緩沖池區(qū)交換數(shù)據(jù)。如下圖所示，生產(chǎn)者進程不斷向循環(huán)緩沖池區(qū)中寫入數(shù)據(jù)（即生產(chǎn)數(shù)據(jù)），

6、而消費者進程不斷從循環(huán)緩沖池區(qū)中讀出數(shù)據(jù)（即消費數(shù)據(jù)）。循環(huán)緩沖池共有N個緩沖區(qū)，緩沖區(qū)可以暫存一個產(chǎn)品，任何時刻只能有一個進程課對循環(huán)緩沖池進行操作。所有生產(chǎn)者和消費者要協(xié)調(diào)工作，以完成數(shù)據(jù)的交換。只要有空緩沖區(qū)，生產(chǎn)者就可以把產(chǎn)品送入緩沖區(qū)；只要有滿緩沖區(qū)，消費者就可以從緩沖區(qū)中取走物品。為了解決生產(chǎn)者和消費者問題，應(yīng)該設(shè)置信號量和變量如下： full： 滿緩沖區(qū)資源信號量 ，初值為0；empty：空緩沖區(qū)資源信號量 ，初值為n；in： 生產(chǎn)者指針，初值均為0；out： 消費者指針，均為0；mutex：緩沖區(qū)操作的互斥信號量，初值為12.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PCB* readyhead=NULL, *

7、 readytail=NULL; / 就緒隊列鏈表結(jié)構(gòu)PCB* consumerhead=NULL, * consumertail=NULL; / 消費者隊列PCB* producerhead=NULL, * producertail=NULL; / 生產(chǎn)者隊列processproc()- 給PCB分配內(nèi)存，產(chǎn)生相應(yīng)的的進程Pempty()- 如果緩沖區(qū)滿，該進程進入生產(chǎn)者等待隊列；linkqueue(exe,&producertail); / 把就緒隊列里的進程放入生產(chǎn)者隊列的尾部執(zhí)行順序：Main()-empty-in-full-out-finish當(dāng)緩沖池為空時，生產(chǎn)者生產(chǎn)產(chǎn)品i

8、n緩沖池 in=in+1當(dāng)緩沖池為滿時，消費者消費產(chǎn)品out緩沖池 out=out+13. 程序流程圖生產(chǎn)者線程開始資源信號量P操作互斥信號量P操作生產(chǎn)一個產(chǎn)品把產(chǎn)品送入緩沖區(qū)互斥信號量V操作資源信號量V操作等待隊列中有消費者線程等待隊列中有消費者線程線程自我阻塞添加到等待隊列線程自我阻塞添加到等待隊列未通過未通過通過通過喚醒對頭的消費者線程喚醒對頭的消費者線程生產(chǎn)者線程結(jié)束YYNN圖一 生產(chǎn)者流程結(jié)構(gòu)消費者線程開始資源信號量P操作互斥信號量P操作從緩沖區(qū)取出一個產(chǎn)品消費一個產(chǎn)品互斥信號量V操作資源信號量V操作等待隊列中有生產(chǎn)者線程等待隊列中有生產(chǎn)者線程線程自我阻塞添加到等待隊列線程自我阻塞添

9、加到等待隊列未通過未通過通過通過喚醒對頭的生產(chǎn)者線程喚醒對頭的生產(chǎn)者線程消費者線程結(jié)束YYNN圖二 消費者流程結(jié)構(gòu)4.PV操作代碼semaphore empty=n;semaphore full=0;semaphore mutex=1;message buffern;int in=0;int out=0;void main()parbegin(proceducer(),consumer();void proceducer() do prodece a new meddage;P(empty);P(mutex);send a new message to bufferin;in=(in+1)%n

10、;V(mutex);V(full); while(true);void consumer() do P(full); P(mutex); get a message from bufferout;out=(out+1)%n;V(mutex);V(empty);comsume a message;while(true);四、 源代碼#include "windows.h" #include "iostream.h" #include "math.h" #define random (rand()*10000)/RAND_MAX /定義一

11、個隨機函數(shù)來生產(chǎn)產(chǎn)品，并且使兩個顧產(chǎn)品間的時間少于10秒 int long waiting(0); /正在等待的產(chǎn)品的數(shù)目 int buffer; /空位的總數(shù)目 char empty; /緩沖區(qū)空 char full; /緩沖區(qū)滿 int count(0); /產(chǎn)品的號碼數(shù) int finish(0); /生產(chǎn)完畢的產(chǎn)品數(shù)目 DWORD a; void proceduce() Sleep (10000); cout<<"緩沖區(qū)已空 !"<<endl; /生產(chǎn)者生產(chǎn)產(chǎn)品函數(shù)，用時10秒 void getconsum() Sleep (10001);

12、/產(chǎn)品被生產(chǎn)的函數(shù)，為了合理區(qū)分生產(chǎn)產(chǎn)品 cout<<"第"<<finish<<"個產(chǎn)品被消費,取出 "<<endl; HANDLE Mutex=CreateMutex(NULL, FALSE, "Mutex"); /用來實現(xiàn)進程的互斥 HANDLE proceducer=CreateSemaphore(NULL, 1,1, "proceducer");/定義信號量來進行線程間的同步 HANDLE consumer=CreateSemaphore(NULL,0,3,&

13、quot;consum"); DWORD WINAPI consum(LPVOID pParm2) /消費的線程 WaitForSingleObject(Mutex ,INFINITE); /p(mutex)來進行互斥操作 count+; /生產(chǎn)的是第幾個產(chǎn)品 cout<<"第 "<<count<<" 個產(chǎn)品生產(chǎn)了 "<<endl; if (waiting<buffer) /如果緩沖池還有空位 if (waiting!=0) cout<<"此時有"<&l

14、t;waiting+1 <<" 個產(chǎn)品等待消費"<<endl; else cout<<"沒有產(chǎn)品在等待"<<endl; /輸出有多少人在等待 waiting+; cout<<"還有"<<buffer-waiting<<"個空位"<<endl; cout<<"有空區(qū)，產(chǎn)品已經(jīng)進入"<<endl; ReleaseSemaphore(consum,1,NULL);/v(consume

15、r) ResumeThread(consum);/喚醒生產(chǎn)者進程 ReleaseMutex(Mutex);/釋放互斥量，以便其他線程使用 WaitForSingleObject(proceducer,INFINITE);/等待生產(chǎn) getconsum(); /消費并取走 else cout<<"緩沖區(qū)已滿，第"<<count<<"個產(chǎn)品暫停生產(chǎn)"<<endl; /沒有空位，生產(chǎn)者不再生產(chǎn) ReleaseMutex(Mutex); return 0; DWORD WINAPI proceducers(LPVO

16、ID pParm1) /生產(chǎn)者的線程 while(true) /一直執(zhí)行 WaitForSingleObject(consum,INFINITE);/p(customers)，等待產(chǎn)品 WaitForSingleObject(Mutex,INFINITE); /等待互斥量 waiting-; /等待的產(chǎn)品數(shù)減一 ReleaseSemaphore(proceducer,1,NULL); /釋放信號量 ResumeThread(proceducer); /喚醒消費進程 ReleaseMutex(Mutex); /v(mutex); proceduce(); /生產(chǎn) finish+; /消費的產(chǎn)品數(shù)

17、加1 return 0; int main(int argc, char* argv) cout<<"請輸入緩沖區(qū)空位的總數(shù)目:" cin>>buffer; cout<<"緩沖區(qū)共有"<<buffer<<"個空位"<<endl; /設(shè)置緩沖區(qū)空位數(shù)目 cout<<"緩沖區(qū)空生產(chǎn)產(chǎn)品嗎?Y/N"<<endl; /緩沖區(qū)是否空 cin>>empty; while (empty!='y') cout

18、<<endl<<"*對不起，緩沖區(qū)滿！*"<<endl; cout<<"緩沖區(qū)已空，生產(chǎn)產(chǎn)品?Y/N"<<endl; cin>>empty; HANDLE hThread1; HANDLE hThread2; hThread2=:CreateThread (NULL,0,proceducers,NULL,0,NULL); /產(chǎn)生一個生產(chǎn)者進程 while(full!='y') Sleep(random); /產(chǎn)品隨機進入 hThread1=:CreateThread(NULL,0,consum,NULL,a,NULL); cout<<endl<<"*緩沖區(qū)已空，請繼續(xù)生產(chǎn)*"<<endl; if (finis