生產(chǎn)者消費(fèi)者問題操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、word課程設(shè)計(jì)報告課程名稱： Linux操作系統(tǒng) 專業(yè)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名班級學(xué)號指導(dǎo)教師完成日期信息工程學(xué)院題目：生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題的模擬實(shí)現(xiàn) 一、設(shè)計(jì)目的本課程設(shè)計(jì)是學(xué)習(xí)完“操作系統(tǒng)原理課程后進(jìn)行的一次全面的綜合訓(xùn)練，通過課程設(shè)計(jì)，更好地掌握操作系統(tǒng)的原理及實(shí)現(xiàn)方法，加深對操作系統(tǒng)根底理論和重要算法的理解，加強(qiáng)學(xué)生的動手能力。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容1概述設(shè)計(jì)目的:通過研究Linux 的進(jìn)程機(jī)制和信號量實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者問題的并發(fā)控制。說明:有界緩沖區(qū)內(nèi)設(shè)有20個存儲單元,放入/取出的數(shù)據(jù)項(xiàng)設(shè)定為1-20這20個整型數(shù)。設(shè)計(jì)要求:(1)每個生產(chǎn)者和消費(fèi)者對有界緩沖區(qū)進(jìn)行操作后,即時顯示有界緩沖區(qū)的

2、全部內(nèi)容,當(dāng)前指針位置和生產(chǎn)者/消費(fèi)者縣城的標(biāo)識符。(2)生產(chǎn)者和消費(fèi)者各有兩個以上。(3)多個生產(chǎn)者或多個消費(fèi)者之間須有共享對緩沖區(qū)進(jìn)行操作的函數(shù)代碼。2設(shè)計(jì)原理通過一個有界緩沖區(qū)把生產(chǎn)者和消費(fèi)者聯(lián)系起來。假定生產(chǎn)者和消費(fèi)者的優(yōu)先級是相同的，只要緩沖區(qū)未滿，生產(chǎn)者就可以生產(chǎn)產(chǎn)品并將產(chǎn)品送入緩沖區(qū)。類似地，只要緩沖區(qū)未空，消費(fèi)者就可以從緩沖區(qū)中取走產(chǎn)品。應(yīng)該禁止生產(chǎn)者向滿的緩沖區(qū)送入產(chǎn)品，同時也應(yīng)該禁止消費(fèi)者從空的緩沖區(qū)中取出產(chǎn)品，這一機(jī)制有生產(chǎn)者線程和消費(fèi)者線程之間的互斥關(guān)系來實(shí)現(xiàn)。與計(jì)算打印兩進(jìn)程同步關(guān)系相同，生產(chǎn)者和消費(fèi)者兩進(jìn)程P和C之間應(yīng)滿足以下兩個同步條件： 只有在緩沖池中至少有一個

3、緩沖區(qū)已存入消息后，消費(fèi)者才能從中提取信息，否那么消費(fèi)者必須等待。 只有緩沖池中至少有一個緩沖區(qū)是空時，生產(chǎn)者才能把消息放入緩沖區(qū)，否那么生產(chǎn)者必須等待。為了滿足第一個同步條件，設(shè)置一個同步信號量full，它代表的資源是緩沖區(qū)滿，它的初始值為0，它的值為n時整個緩沖池滿。這個資源是消費(fèi)者類進(jìn)程C所有，C進(jìn)程可以申請?jiān)撡Y源，對它施加P操作，而C進(jìn)程的合作進(jìn)程生產(chǎn)者進(jìn)程P對它施加V操作。同樣為了滿足第二個同步條件，設(shè)置另一個同步信號量empty，它代表的資源是緩沖空區(qū)，它的初始值為n，表示緩沖池中所有緩沖區(qū)空。信號量full表示可用緩沖區(qū)數(shù)量，信號量empty表示緩沖區(qū)數(shù)量，設(shè)置整型變量：存入指針

4、in和取出指針out。為解決生產(chǎn)者/消費(fèi)者問題，應(yīng)該設(shè)置兩個資源信號量，其中一個表示空緩沖區(qū)的數(shù)目，用g_hFullSemaphore表示，其初始值為有界緩沖區(qū)的大小SIZE_OF_BUFFER；另一個表示緩沖區(qū)中產(chǎn)品的數(shù)目，用g_hEmptySemaphore表示，其初始值為0.另外，由于有界緩沖區(qū)是一個臨界資源，必須互斥使用，所以還需要在設(shè)置一個互斥信號量g_hMutex，初始值為1.P原語的主要動作是： sem減1； 假設(shè)sem減一后仍大于或等于零，那么進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行； 假設(shè)sem減一后小于零，那么該進(jìn)程被阻塞后入與該信號相對應(yīng)的隊(duì)列中，然后轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度。V原語的操作主要動作是： sem加1

5、； 假設(shè)相加結(jié)果大于零，進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；假設(shè)相加結(jié)果小于或等于零，那么從該信號的等待隊(duì)列中喚醒一等待進(jìn)程然后再返回原進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行或轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度。采用的同步方法：1利用函數(shù)CreateMutex(NULL,FALSE,NULL)創(chuàng)立互斥信號量g_hMutex，表示緩沖區(qū)當(dāng)前的狀態(tài)，假設(shè)為true時，那么表示緩沖區(qū)正被別的進(jìn)程使用。三個參數(shù)表示的意義分別為：指向平安屬性的指針，初始化互斥對象的所有者,指向互斥對象名的指針。2利用函數(shù)CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL)創(chuàng)立緩沖區(qū)滿的信號量g_hFullSemaphore

6、，值為true時表示緩沖區(qū)已滿。四個參數(shù)分別為：表示是否允許繼承、設(shè)置信號機(jī)的初始計(jì)數(shù)、設(shè)置信號機(jī)的最大計(jì)數(shù)、指定信號機(jī)對象的名稱-1是因?yàn)橛?jì)數(shù)從開始。3利用函數(shù)CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL)創(chuàng)立緩沖區(qū)空的信號量g_hEmptySemaphore，該值為true時表示緩沖區(qū)為空。5、數(shù)據(jù)定義及其詳細(xì)解釋const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 20; /緩沖區(qū)長度 unsigned short ProductID = 0; /產(chǎn)品號 unsigned short ConsumeID = 0; /將被消

7、耗的產(chǎn)品號 unsigned short in = 0; /產(chǎn)品進(jìn)緩沖區(qū)時的緩沖區(qū)下標(biāo) unsigned short out = 0; /產(chǎn)品出緩沖區(qū)時的緩沖區(qū)下標(biāo) int g_bufferSIZE_OF_BUFFER; /緩沖區(qū)是個循環(huán)隊(duì)列 bool g_continue = true; /使程序跳出循環(huán)，控制程序結(jié)束 HANDLE g_hMutex; /用于線程間的互斥 HANDLE g_hFullSemaphore; /當(dāng)緩沖區(qū)滿時迫使生產(chǎn)者等待 HANDLE g_hEmptySemaphore; /當(dāng)緩沖區(qū)空時迫使消費(fèi)者等待 DWORD WINAPI Producer(LPVOID);

8、 /生產(chǎn)者線程 DWORD WINAPI Consumer(LPVOID); /消費(fèi)者線程 3詳細(xì)設(shè)計(jì)及編碼流程圖生產(chǎn)者：sem=sem-1入口s>=0調(diào)用進(jìn)程入等待隊(duì)列轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度返回是否消費(fèi)者：入 口sem=sem-1 sem=sem-1S<=0喚醒等待隊(duì)列中的一個進(jìn)程式返回或轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度 返回否是程序清單 1.存儲結(jié)構(gòu)定義 利用信號量解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問題 const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 10; /緩沖區(qū)長度 unsigned short ProductID = 0; /產(chǎn)品號 unsigned short ConsumeID = 0;

9、/將被消耗的產(chǎn)品號 unsigned short in = 0; /產(chǎn)品進(jìn)緩沖區(qū)時的緩沖區(qū)下標(biāo) unsigned short out = 0; /產(chǎn)品出緩沖區(qū)時的緩沖區(qū)下標(biāo) int g_bufferSIZE_OF_BUFFER; /緩沖區(qū)是個循環(huán)隊(duì)列 bool g_continue = true; /控制程序結(jié)束 HANDLE g_hMutex; /用于線程間的互斥 HANDLE g_hFullSemaphore; /當(dāng)緩沖區(qū)滿時迫使生產(chǎn)者等待 HANDLE g_hEmptySemaphore; /當(dāng)緩沖區(qū)空時迫使消費(fèi)者等待 DWORD WINAPI Producer(LPVOID); /生產(chǎn)

10、者線程 DWORD WINAPI Consumer(LPVOID); /消費(fèi)者線程 2.算法相關(guān)的函數(shù) 1創(chuàng)立各個互斥信號以及生產(chǎn)者線程和消費(fèi)者線程的函數(shù)在如下主函數(shù)里面所示： int main() /創(chuàng)立各個互斥信號 g_hMutex = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); g_hFullSemaphore CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL); g_hEmptySemaphore = CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL); /調(diào)整

11、下面的數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生產(chǎn)者個數(shù)多于消費(fèi)者個數(shù)時， /生產(chǎn)速度快，生產(chǎn)者經(jīng)常等待消費(fèi)者；反之，消費(fèi)者經(jīng)常等待。 const unsigned short PRODUCERS_COUNT = 3; /生產(chǎn)者的個數(shù) const unsigned short CONSUMERS_COUNT = 1; /消費(fèi)者的個數(shù) /總的線程數(shù) const unsigned short THREADS_COUNT PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT; HANDLE hThreadsPRODUCERS_COUNT; /各線程的handle DWORD producerIDCONSUMER

12、S_COUNT; /生產(chǎn)者線程的標(biāo)識符 DWORD consumerIDTHREADS_COUNT; /消費(fèi)者線程的標(biāo)識符 /創(chuàng)立生產(chǎn)者線程 for (int i=0;i hThreadsi=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producerIDi); if (hThreadsi=NULL) return -1; /創(chuàng)立消費(fèi)者線程 for ( i=0;i hThreadsPRODUCERS_COUNT+i=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0 &consumerIDi); if (hThreadsi=NU

13、LL) return -1; while(g_continue) if(getchar() /按回車后終止程序運(yùn)行 g_continue = false; return 0; （2） 生產(chǎn)者生產(chǎn)一個產(chǎn)品的函數(shù)： /生產(chǎn)一個產(chǎn)品。簡單模擬了一下，僅輸出新產(chǎn)品的ID號 void Produce() std:cerr << "Producing " << +ProductID << " * " std:cerr << "Succeed" << std:endl; 3把新生產(chǎn)的產(chǎn)品放

14、入緩沖區(qū)的函數(shù)： /把新生產(chǎn)的產(chǎn)品放入緩沖區(qū) void Append() std:cerr << "Appending a product * " g_bufferin = ProductID; in = (in+1)%SIZE_OF_BUFFER; std:cerr << "Succeed" << std:endl; 4輸出緩沖區(qū)當(dāng)前的狀態(tài)的函數(shù)： /輸出緩沖區(qū)當(dāng)前的狀態(tài) for (int i=0;i std:cout << i <<": " << g_buff

15、eri; if (i=in) std:cout << " <- 生產(chǎn)" if (i=out) std:cout << " <- 消費(fèi)" std:cout << std:endl; 從緩沖區(qū)中取出一個產(chǎn)品的函數(shù)： /從緩沖區(qū)中取出一個產(chǎn)品 void Take() std:cerr << "Taking a product * " ConsumeID = g_bufferout; out = (out+1)%SIZE_OF_BUFFER; 利用信號量解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問題 std:

16、cerr << "Succeed" << std:endl; 5輸出緩沖區(qū)當(dāng)前的狀態(tài)的函數(shù)： /輸出緩沖區(qū)當(dāng)前的狀態(tài) for (int i=0;i std:cout << i <<": " << g_bufferi; if (i=in) std:cout << " <- 生產(chǎn)" if (i=out) std:cout << " <- 消費(fèi)" std:cout << std:endl; 6消耗一個產(chǎn)品的函數(shù)：

17、/消耗一個產(chǎn)品 void Consume() std:cerr << "Consuming " << ConsumeID << " * " std:cerr << "Succeed" << std:endl; 3.生產(chǎn)者和消費(fèi)者算法 1生產(chǎn)者算法： /生產(chǎn)者 DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara) while(g_continue) WaitForSingleObject(g_hFullSemaphore,INFINITE); WaitFor

18、SingleObject(g_hMutex,INFINITE); Produce(); Append(); Sleep(1500); ReleaseMutex(g_hMutex); ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore,1,NULL); return 0; 2消費(fèi)者算法： /消費(fèi)者 DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara) while(g_continue) WaitForSingleObject(g_hEmptySemaphore,INFINITE); WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); Take(); Consume(); Sleep(1500); ReleaseMutex(g_hMutex); ReleaseSemaphore(g_hFullSemaphore,1,NULL); return 0; 4運(yùn)行結(jié)果分析輸入輸出數(shù)據(jù)說明和分析：該程序設(shè)置的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)長度為20，生產(chǎn)者個數(shù)為3，消費(fèi)者個數(shù)為1，程序啟動后，生產(chǎn)者先進(jìn)行生產(chǎn)，當(dāng)3個生產(chǎn)者全部生產(chǎn)完之后，消費(fèi)者開始從緩沖區(qū)中取出產(chǎn)品，當(dāng)消費(fèi)者取出一個后，