進(jìn)程同步模擬設(shè)計(jì)—生產(chǎn)者和消費(fèi)者分析

1、學(xué) 號(hào)： 課 程 設(shè) 計(jì)題 目進(jìn)程同步模擬設(shè)計(jì)生產(chǎn)者和消費(fèi)者問題學(xué) 院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專 業(yè)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)班 級(jí)1006班姓 名丁探指導(dǎo)教師劉洪星2013年1月17日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 丁探 專業(yè)班級(jí)： 計(jì)算機(jī)1006 指導(dǎo)教師： 劉洪星 工作單位： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 題 目: 進(jìn)程同步模擬設(shè)計(jì)生產(chǎn)者和消費(fèi)者問題 初始條件：1預(yù)備內(nèi)容：閱讀操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理章節(jié)內(nèi)容，對(duì)進(jìn)程的同步和互斥，以及信號(hào)量機(jī)制度有深入的理解。2實(shí)踐準(zhǔn)備：掌握一種計(jì)算機(jī)高級(jí)語言的使用。要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1模擬用信號(hào)量機(jī)制實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者和消費(fèi)者

2、問題。2設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容應(yīng)說明： 課程設(shè)計(jì)目的與功能； 需求分析，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或模塊說明(功能與框圖)； 源程序的主要部分； 運(yùn)行結(jié)果與運(yùn)行情況分析； 自我評(píng)價(jià)與總結(jié)：i）你認(rèn)為你完成的設(shè)計(jì)哪些地方做得比較好或比較出色；ii）什么地方做得不太好，以后如何改正；iii）從本設(shè)計(jì)得到的收獲（在編寫，調(diào)試，執(zhí)行過程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)）；iv）完成本題是否有其他的其他方法（如果有，簡要說明該方法）；v）對(duì)實(shí)驗(yàn)題的評(píng)價(jià)和改進(jìn)意見，請(qǐng)你推薦設(shè)計(jì)題目。時(shí)間安排：設(shè)計(jì)安排一周：周1、周2：完成程序分析及設(shè)計(jì)。周2、周3：完成程序調(diào)試及測試。周4、周5：驗(yàn)收、撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。（注意事項(xiàng)：嚴(yán)禁抄襲，一旦發(fā)現(xiàn)，抄與被抄的一律

3、按0分記）指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄1、 需求分析.42、 功能設(shè)計(jì).53、源程序.84、運(yùn)行結(jié)果.135、總 結(jié).166、參考文獻(xiàn).16生產(chǎn)者消費(fèi)者問題1. 需求分析1.1問題描述： 一組生產(chǎn)者向一組消費(fèi)者提供消息，它們共享一個(gè)有界緩沖區(qū)n，生產(chǎn)者向其中投放消息，消費(fèi)者從中取得消息。1.2規(guī)則：n 對(duì)于生產(chǎn)者進(jìn)程：產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)要送入緩沖區(qū)時(shí)，要檢查緩沖區(qū)是否已滿，若未滿，則可將數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)，并通知消費(fèi)者進(jìn)程；否則，等待；n 對(duì)于消費(fèi)者進(jìn)程：當(dāng)它去取數(shù)據(jù)時(shí)，要看緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)可取，若有則取走一個(gè)數(shù)據(jù)，并通知生產(chǎn)者進(jìn)程，否則，等待。n 緩沖區(qū)

4、是個(gè)臨界資源，因此，諸進(jìn)程對(duì)緩沖區(qū)的操作程序是一個(gè)共享臨界區(qū)，所以，還有個(gè)互斥的問題。1.3信號(hào)燈設(shè)置 ：兩個(gè)同步信號(hào)燈-    empty ：表示空緩沖區(qū)的數(shù)目，初值為有界緩沖區(qū)的大小n；     full ： 表示滿緩沖區(qū)(即信息)的數(shù)目，其初值為0；一個(gè)互斥信號(hào)燈-    mutex：互斥信號(hào)燈，初值為1。 1.4同步描述： 1.5程序描述：main( )        int full=0； /*滿緩沖區(qū)的數(shù)目*/    int empty=n；/*空緩沖區(qū)的數(shù)目*/

5、    int mutex=1；/*對(duì)有界緩沖區(qū)進(jìn)行操作的互斥信號(hào)燈*/    cobegin    p1 ( )； p2( )；    coend    p1() while(生產(chǎn)未完成) ··· 生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品; p(empty); p(mutex); 送一個(gè)產(chǎn)品到有界緩沖區(qū); v(mutex)； v(full); p2( ) while(還要繼續(xù)消費(fèi)) p(full)； p(mutex)； 從有界緩沖區(qū)中取產(chǎn)品； v(mutex)； v(empty)； 

6、3;·· 消費(fèi)一個(gè)產(chǎn)品； 1.6 C+語言程序模擬用信號(hào)量機(jī)制實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者和消費(fèi)者問題：本次課程設(shè)計(jì)主要通過C+模擬信號(hào)量制中各個(gè)進(jìn)程，及各進(jìn)程之間的互斥、同步關(guān)系，來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者和消費(fèi)者問題。2. 功能設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)目的：通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的關(guān)系，了解并掌握他們之間的關(guān)系及其原理。由此增加對(duì)進(jìn)程同步的問題的了解。具體如下: 1）掌握基本的同步互斥算法，理解生產(chǎn)者和消費(fèi)者模型； 2）了解windows中多線程（多進(jìn)程）的并發(fā)執(zhí)行機(jī)制，線程（進(jìn)程）間的同步和互斥； 3）學(xué)習(xí)使用windows中基本的同步對(duì)象，掌握相應(yīng)的API。2.2設(shè)計(jì)功能:利用模擬用信號(hào)量機(jī)制實(shí)現(xiàn)生

7、產(chǎn)者和消費(fèi)者問題：通過用戶控制取進(jìn)程和放進(jìn)程，反應(yīng)生產(chǎn)者和消費(fèi)者問題中所涉及的進(jìn)程的同步與互斥。2.3數(shù)據(jù)流程圖：1、生產(chǎn)者2、消費(fèi)者2.4模塊說明：const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 10; /緩沖區(qū)長度 unsigned short ProductID = 0; /產(chǎn)品號(hào) unsigned short ConsumeID = 0; /將被消耗的產(chǎn)品號(hào) unsigned short in = 0; /產(chǎn)品進(jìn)緩沖區(qū)時(shí)的緩沖區(qū)下標(biāo) unsigned short out = 0; /產(chǎn)品出緩沖區(qū)時(shí)的緩沖區(qū)下標(biāo) int g_bufferSIZE_OF_BUFF

8、ER; /緩沖區(qū)是個(gè)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(shí)迫使生產(chǎn)者等待 HANDLE g_hEmptySemaphore; /當(dāng)緩沖區(qū)空時(shí)迫使消費(fèi)者等待 DWORD WINAPI Producer(LPVOID); /生產(chǎn)者線程 DWORD WINAPI Consumer(LPVOID); /消費(fèi)者線程 3、源程序#include <windows.h>#include <iostream>const unsigne

9、d short SIZE_OF_BUFFER = 20;/有界緩沖區(qū)長度int g_bufferSIZE_OF_BUFFER;/開辟緩沖區(qū)，用數(shù)組表示，可以看成是一個(gè)循環(huán)隊(duì)列unsigned short ProductID = 0;/新生產(chǎn)出來的產(chǎn)品的產(chǎn)品號(hào)unsigned short ConsumeID = 0;/被消耗的產(chǎn)品的產(chǎn)品號(hào)unsigned short in = 0;/產(chǎn)品進(jìn)緩沖區(qū)時(shí)的緩沖區(qū)下標(biāo)，用于記錄生產(chǎn)者的指針位置unsigned short out = 0;/產(chǎn)品出緩沖區(qū)時(shí)的緩沖區(qū)下標(biāo)，用于記錄消費(fèi)者的指針位置bool g_continue = 1;/控制程序運(yùn)行：1表示繼

10、續(xù)運(yùn)行，0表示停止運(yùn)行HANDLE g_hMutex;/線程間的互斥信號(hào)量HANDLE g_hFullSemaphore;/資源信號(hào)量：緩沖區(qū)滿HANDLE g_hEmptySemaphore;/資源信號(hào)量：緩沖區(qū)空DWORD WINAPI Producer(LPVOID);/生產(chǎn)者線程DWORD WINAPI Consumer(LPVOID);/消費(fèi)者線程const unsigned short PRODUCERS_COUNT=4;/生產(chǎn)者的個(gè)數(shù)const unsigned short CONSUMERS_COUNT=3;/消費(fèi)者的個(gè)數(shù)const unsigned short THREADS

11、_COUNT=PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT;/總線程數(shù)HANDLE hThreadsPRODUCERS_COUNT;/各線程的handleDWORD producerIDCONSUMERS_COUNT;/生產(chǎn)者線程的標(biāo)識(shí)符DWORD consumerIDTHREADS_COUNT;/消費(fèi)者線程的標(biāo)識(shí)符/*-生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品開始-*/生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品，輸出其ID號(hào)void Produce()std:cout<<std:endl;std:cerr<<"生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品: "<<+ProductID;std:cout<

12、;<std:endl;/*-生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品結(jié)束-*/*-把新生產(chǎn)的產(chǎn)品放入緩沖區(qū)開始-*/把新生產(chǎn)的產(chǎn)品放入緩沖區(qū)void Append()std:cerr<<"把生產(chǎn)的產(chǎn)品送入緩沖區(qū)"g_bufferin=ProductID;in=(in+1)%SIZE_OF_BUFFER;std:cerr<<std:endl;std:cout<<"緩沖區(qū) 產(chǎn)品 生產(chǎn)者/消費(fèi)者"<<std:endl;/新產(chǎn)品放入緩沖區(qū)后，輸出緩沖區(qū)當(dāng)前的狀態(tài)for(int i=0;i<SIZE_OF_BUFFER;+i) /輸

13、出緩沖區(qū)下標(biāo)if (i<10)std:cout<<i<<" "<<g_bufferi;elsestd:cout<<i<<" "<<g_bufferi;if(i=in)if(g_bufferi<10)std:cout<<" "elsestd:cout<<" "std:cout<<" <- 生產(chǎn)者"/輸出生產(chǎn)者的指針位置if(i=out)if(g_bufferi<10)

14、std:cout<<" "elsestd:cout<<" "std:cout<<" <- 消費(fèi)者"/輸出消費(fèi)者的指針位置std:cout<<std:endl;/*-把新生產(chǎn)的產(chǎn)品放入緩沖區(qū)結(jié)束-*/*-消費(fèi)一個(gè)產(chǎn)品開始-*/void Consume()/消費(fèi)一個(gè)產(chǎn)品std:cout<<std:endl;std:cerr<<"消費(fèi)一個(gè)產(chǎn)品: "<<ConsumeID;std:cout<<std:endl;/*-消費(fèi)一

15、個(gè)產(chǎn)品結(jié)束-*/*-從緩沖區(qū)中取出一個(gè)產(chǎn)品開始-*/從緩沖區(qū)中取出一個(gè)產(chǎn)品void Take()std:cout<<std:endl;std:cerr<<"從緩沖區(qū)取出一個(gè)產(chǎn)品"ConsumeID=g_bufferout;out=(out+1)%SIZE_OF_BUFFER;std:cerr<<std:endl;std:cout<<std:endl;std:cout<<"緩沖區(qū) 產(chǎn)品 生產(chǎn)者/消費(fèi)者"<<std:endl;/取出一個(gè)產(chǎn)品后，輸出緩沖區(qū)當(dāng)前的狀態(tài)for(int i=0;

16、i<SIZE_OF_BUFFER;+i) /輸出緩沖區(qū)下標(biāo)if(i<10)std:cout<<i<<" "<<g_bufferi;elsestd:cout<<i<<" "<<g_bufferi;if(i=in)if(g_bufferi<10)std:cout<<" "elsestd:cout<<" "std:cout<<" <- 生產(chǎn)者"/輸出生產(chǎn)者的指針位置if(

17、i=out)if(g_bufferi<10)std:cout<<" "elsestd:cout<<" "std:cout<<" <- 消費(fèi)者"/輸出消費(fèi)者的指針位置std:cout<<std:endl;/*-從緩沖區(qū)中取出一個(gè)產(chǎn)品結(jié)束-*/*-生產(chǎn)者線程開始-*/生產(chǎn)者線程DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara) while(g_continue)/資源信號(hào)量的P操作WaitForSingleObject(g_hFullSemaphore,IN

18、FINITE); /互斥信號(hào)量的P操作WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); /生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品Produce();/把新生產(chǎn)的產(chǎn)品放入緩沖區(qū)Append();Sleep(2000);/互斥信號(hào)量的V操作ReleaseMutex(g_hMutex); /資源信號(hào)量的V操作ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore,1,NULL); return 0;/*-生產(chǎn)者線程結(jié)束-*/*-消費(fèi)者線程開始-*/消費(fèi)者線程DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara) while(g_continue)/資源信號(hào)量的P操

19、作WaitForSingleObject(g_hEmptySemaphore,INFINITE); /互斥信號(hào)量的P操作WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); /從緩沖區(qū)中取出一個(gè)產(chǎn)品Take();/消費(fèi)一個(gè)產(chǎn)品Consume();Sleep(2000);/互斥信號(hào)量的V操作ReleaseMutex(g_hMutex); /資源信號(hào)量的V操作ReleaseSemaphore(g_hFullSemaphore,1,NULL); return 0;/*-消費(fèi)者線程結(jié)束-*/*-創(chuàng)建生產(chǎn)者線程開始-*/void createPT()/創(chuàng)建生產(chǎn)者線程for(in

20、t i=0;i<PRODUCERS_COUNT;+i)hThreadsi=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producerIDi);if(hThreadsi=NULL)g_continue=0;/*-創(chuàng)建生產(chǎn)者線程結(jié)束-*/*-創(chuàng)建消費(fèi)者線程開始-*/void createCT()/創(chuàng)建消費(fèi)者線程for (int j=0;j<CONSUMERS_COUNT;+j)hThreadsPRODUCERS_COUNT+j=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumerIDj);if (hThreadsj=NULL)g_continue=0;/*-創(chuàng)建消費(fèi)者線程結(jié)束-*/*-主函數(shù)開始-*/void main()/創(chuàng)建互斥信號(hào)量g_hMutex=CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); /創(chuàng)建資源信號(hào)量g_hFullSemaphore=CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL);g_hEmptySemaphore=CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL);/創(chuàng)建生產(chǎn)者線程createPT();/創(chuàng)建消費(fèi)者