計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告生產(chǎn)者---消費(fèi)者問題

1、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題目：生產(chǎn)者一消費(fèi)者問題專 業(yè)：軟件工程年級(jí)：2010級(jí)小組成員：絲上指導(dǎo)教師：時(shí) 間：地 點(diǎn)：2012年5月摘要生產(chǎn)者消費(fèi)者問題（英語：Producer-consumer problem）,也稱有限緩沖問 題（英語：Bounded-buffer problem ）,是一個(gè)多線程同步問題的經(jīng)典案例。該 問題描述了兩個(gè)共享固定大小緩沖區(qū)的線程一一即所謂的“生產(chǎn)者”和“消費(fèi)者”在實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生的問題。生產(chǎn)者的主要作用是生成一定量的數(shù)據(jù)放到緩 沖區(qū)中，然后重復(fù)此過程。與此同時(shí)，消費(fèi)者也在緩沖區(qū)消耗這些數(shù)據(jù)。該問題 的關(guān)鍵就是要保證生產(chǎn)者不會(huì)在緩沖區(qū)滿時(shí)加入數(shù)據(jù)，消費(fèi)者也不會(huì)在

2、緩沖區(qū)中空時(shí)消耗數(shù)據(jù)。生產(chǎn)者消費(fèi)者模式是通過一個(gè)容器來解決生產(chǎn)者和消費(fèi)者的強(qiáng)耦合問題。生產(chǎn)者和消費(fèi)者彼此之間不直接通訊， 而通過阻塞隊(duì)列來進(jìn)行通訊，所以生產(chǎn)者生 產(chǎn)完數(shù)據(jù)之后不用等待消費(fèi)者處理， 直接扔給阻塞隊(duì)列，消費(fèi)者不找生產(chǎn)者要數(shù) 據(jù)，而是直接從阻塞隊(duì)列里取，阻塞隊(duì)列就相當(dāng)于一個(gè)緩沖區(qū)，平衡了生產(chǎn)者和消費(fèi)者的處理能力。444445557889141717錯(cuò)誤！未定義書簽。18目錄.概述.課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)要求分工日程表.算法及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法的總體思想生產(chǎn)者模塊消費(fèi)者模塊.程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)程序流程圖程序代碼實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 結(jié)論.收獲、體會(huì)和建議收獲.參考文獻(xiàn).概述本課題設(shè)計(jì)是完成了 “操

3、作系統(tǒng)原理”課程進(jìn)行的一次全面的綜合訓(xùn)練，通 過這次課程設(shè)計(jì)，充分檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)課程的掌握程度和熟練情況， 讓學(xué)生更好的掌 握操作系統(tǒng)的原理及其實(shí)現(xiàn)方法，加深對(duì)課程的基礎(chǔ)理論和算法的理解， 加強(qiáng)學(xué) 生的動(dòng)手能力。.課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求. 1設(shè)計(jì)任務(wù)通過研究Linux的進(jìn)程機(jī)制和信號(hào)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(gè)存儲(chǔ)單元，放入/取出的數(shù)據(jù)項(xiàng)設(shè)定為1-20 這20個(gè)整型數(shù)。. 2設(shè)計(jì)要求(1)每個(gè)生產(chǎn)者和消費(fèi)者對(duì)有界緩沖區(qū)進(jìn)行操作后，實(shí)時(shí)顯示有界緩沖區(qū)的 全部?jī)?nèi)容、當(dāng)前指針位置和生產(chǎn)者/消費(fèi)者的標(biāo)識(shí)符。(2)生產(chǎn)者和消費(fèi)者各有兩個(gè)以上。(3)多個(gè)生產(chǎn)者或多個(gè)消費(fèi)者之間須有

4、共享對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行操作的函數(shù)代碼。提示：(1)有界緩沖區(qū)可用數(shù)組實(shí)現(xiàn)。3分工日程表周二卜午周四上午周四卜午周五上午周五卜午A分析題目討論，分工編寫代碼測(cè)試系統(tǒng)編寫文檔B分析題目討論，分工編寫代碼添加備注完善系統(tǒng)3,算法及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1算法的總體思想在同一個(gè)進(jìn)程地址空間內(nèi)執(zhí)行的兩個(gè)線程。生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品，然后將物品放置在一個(gè)空緩沖區(qū)中供消費(fèi)者線程消費(fèi)。 消費(fèi)者線程從緩沖區(qū)中獲得物品，然后釋放緩沖區(qū)。當(dāng)生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品時(shí)，如果沒有空緩沖區(qū)可用，那么生產(chǎn)者線程必須等 待消費(fèi)者線程釋放出一個(gè)空緩沖區(qū)。當(dāng)消費(fèi)者線程消費(fèi)物品時(shí)，如果沒有滿的緩 沖區(qū)，那么消費(fèi)者線程將被阻塞，直到新的物品被生產(chǎn)出來。2生產(chǎn)者模

5、塊功能在同一個(gè)進(jìn)程地址空間內(nèi)執(zhí)行的兩個(gè)線程。生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品，然后將物品放置在一個(gè)空緩沖區(qū)中供消費(fèi)者線程消費(fèi)。當(dāng)生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品 時(shí)，如果沒有空緩沖區(qū)可用，那么生產(chǎn)者線程必須等待消費(fèi)者線程釋放出一 個(gè)空緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)producer_semaphore/生產(chǎn)者的資源信號(hào)量(初始值為緩沖區(qū)的大小)Bufferpn /有界緩沖區(qū)Pn / 緩沖區(qū)目標(biāo)位置MAX_BUFFER/緩沖區(qū)上限buffer_mutex/互斥信號(hào)量Wait()/等待操作，用于申請(qǐng)資源Signal()/信號(hào)操作，用于釋放資源Sleep()/ 掛起算法void *producer_thread(void *tid)pthre

6、ad_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL);/* 設(shè)置狀態(tài)，PTHREAD_CANCEL_ENABLE是正常處理 cancel信號(hào)*/while(1)等待，需要生存*/sem_wait(&producer_semaphore); /* srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%2+1); /*一個(gè)或兩個(gè)需要生產(chǎn) */while(produce_pointer+1)%20=consume_pointer); /*指針位置*/sem_wait(&buffer_mutex); /* 緩存區(qū) */buffer

7、produce_pointer=rand()%20+1;/*指針位置 */produce_pointer=(produce_pointer+1)%20; /*指針位置 */*判斷*/if(produce_pointer=0)printf( 生產(chǎn)者:%d 指針指向:%2d 生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào):2dn,(int)tid,19,buffer19);/*輸出生產(chǎn)者，指針，緩存區(qū)*/fprintf(fd, 生產(chǎn)者:%d指針指向:%2d生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào):2dn,(int)tid,19,buffer19);/*輸出生產(chǎn)者，指針，緩存區(qū)*/elseprintf( 生產(chǎn)者:%d 指針指向:%2d 生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào):%2dn,(in

8、t)tid,produce_pointer-1,bufferproduce_pointer-1);/*輸出生產(chǎn)者，指針，緩存區(qū) */fprintf(fd, 生產(chǎn)者:%d 指針指向:%2d 生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào):%2dn,(int)tid,produce_pointer-1,bufferproduce_pointer-1);/*輸出生產(chǎn)者，指針，緩存區(qū) */showbuf();sem_post(&buffer_mutex);sem_post(&consumer_semaphore); /*通知消費(fèi)者緩沖區(qū)不是空的*/srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%5

9、+1); /*等待幾秒鐘，然后繼續(xù)生產(chǎn)*/return (void*)0);3.3消費(fèi)者模塊功能消費(fèi)者線程從緩沖區(qū)中獲得物品，然后釋放緩沖區(qū)。當(dāng)消費(fèi)者線程消費(fèi)物品 時(shí)，如果沒有滿的緩沖區(qū)，那么消費(fèi)者線程將被阻塞，直到新的物品被生產(chǎn)出來。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)consumer_semaphore/消費(fèi)者的資源信號(hào)量(初始值為0)Bufferpn /有界緩沖區(qū)Pn /緩沖區(qū)目標(biāo)位置MAX_BUFFER緩沖區(qū)上限buffer_mutex/互斥信號(hào)量Wait()/等待操作，用于申請(qǐng)資源Signal。/信號(hào)操作，用于釋放資源Sleep() 掛起算法void *consumer_thread(void *tid)/*可

10、以被其他線程使用*/pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL);/* 設(shè)置狀態(tài)，PTHREAD_CANCEL_ENABLE 是忽略 cancel 信號(hào)*/while(1)sem_wait(&consumer_semaphore); /*通知消費(fèi)者消費(fèi) */srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%2+1);/*一個(gè)或兩個(gè)來消費(fèi) */sem_wait(&buffer_mutex);printf( 消費(fèi)者:%d指針指向:%2d消費(fèi)產(chǎn)品號(hào):%2dn,(int)tid,consume_pointer

11、,bufferconsume_pointer);/*輸出消費(fèi)者，消費(fèi)者指針，緩存區(qū) */fprintf(fd, 消費(fèi)者:%d 指針指向:%2d 消費(fèi)產(chǎn)品號(hào):%2dn,(int)tid,consume_pointer,bufferconsume_pointer);/*輸出消費(fèi)者，消費(fèi)者指針，緩存區(qū) */bufferconsume pointer=0; /*消費(fèi)者指針指向 0*/consume_pointer=(consume_pointer+1)%20;showbuf();sem_post(&buffer_mutex);sem_post(&producer_semaphore);/*通知生產(chǎn)者緩

12、沖區(qū)不是空的*/srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%5+1); /*等待幾秒鐘，然后繼續(xù)消費(fèi)*/return (void*)0);.程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)程序流程圖程序代碼#include#include#include#include#include#include#include#include#include #include#define NUM_THREADS_P 5#define NUM_THREADS_C 5#define MAX_BUFFER 20#define RUN_TIME 20int bufferMAX_BUFFER;/*定義

13、數(shù)據(jù)為生產(chǎn)者*/*定義數(shù)據(jù)為消費(fèi)者*/*定義數(shù)據(jù)為緩存區(qū)*/*定義運(yùn)行時(shí)間*/*定義最大緩存區(qū)*/int produce_pointer=0,consume_pointer=0;/*定義指針*/sem_t producer_semaphore,consumer_semaphore,buffer_mutex;/*定義信-號(hào)量,互斥*/pthread_t threads_pNUM_THREADS_P; /*聲明生產(chǎn)者線程 */pthread_t threads_cNUM_THREADS_C; /*聲明消費(fèi)者線程 */FILE* fd;void *producer_thread(void *tid)

14、;/* 聲明生產(chǎn)者線程 */void *consumer_thread(void *tid); /*聲明消費(fèi)者線程 */void showbuf(); /* 聲明 showbuf 方法*/void handler()int i; /* 定義 i*/for(i=0;iNUM_THREADS_P;i+)pthread_cancel(threads_pi);/*for 循環(huán)，如果 iNUM_THREADS_P, 貝U pthread_cancel(threads_pi); 并且 i+*/for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+)pthread_cancel(threads_ci);/*fo

15、r 循環(huán)，如果 iNUM_THREADS_C,貝U pthread_cancel(threads_ci); 并且 i+*/int main()int i; /* 定義 i*/signal(SIGALRM,handler);/* 定義信號(hào)量 */fd=fopen(output.txt,w);/*打開一個(gè)文件用來保存結(jié)果*/sem_init(&producer_semaphore,0,MAX_BUFFER); /*放一個(gè)值名信號(hào)燈 */sem_init(&consumer_semaphore,0,0);sem_init(&buffer_mutex,0,1);for(i=0;iMAX_BUFFER;

16、i+)bufferi=0; /* 引發(fā)緩沖 */*創(chuàng)建線程*/for(i=0;iNUM_THREADS_P;i+)pthread_create(&threads_pi,NULL,(void*)producer_thread,(void*)(i+1);/*創(chuàng)建線程*/for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+)pthread_create(&threads_ci,NULL,(void*)consumer_thread,(void *)(i+1);alarm(RUN_TIME);for(i=0;iNUM_THREADS_P;i+)pthread_join(threads_pi,NULL);

17、/*等待線程退出*/for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+)pthread_join(threads_ci,NULL);/*等待線程退出*/sem_destroy(&producer_semaphore);/*清除信號(hào)燈*/sem_destroy(&consumer_semaphore);/*清除信號(hào)燈*/sem_destroy(&buffer_mutex);/*清除緩存區(qū)*/fclose(fd); /* 關(guān)閉文件 */return 0;void *producer_thread(void *tid)pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENA

18、BLE,NULL);/*設(shè)置狀態(tài)，PTHREAD_CANCEL_ENABLE 是正常處理cancel信號(hào)*/while(1) sem_wait(&producer_semaphore); /* 等待，需要生存 */srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%2+1); /*一個(gè)或兩個(gè)需要生產(chǎn)*/while(produce_pointer+1)%20=consume_pointer); /*指針位置*/sem_wait(&buffer_mutex); /* 緩存區(qū) */bufferproduce_pointer=rand()%20+1; /*指針位置

19、*/produce_pointer=(produce_pointer+1)%20; /*指針位置*/*判斷*/if(produce_pointer=0)printf( 生產(chǎn)者:%d指針指向:%2d生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào):2dn,(int)tid,19,buffer19);/*輸出生產(chǎn)者，指針，緩存區(qū)*/fprintf(fd, 生產(chǎn)者:%d 指針指向:%2d 生產(chǎn)產(chǎn)品 號(hào):2dn,(int)tid,19,buffer19);/*輸出生產(chǎn)者，指針，緩存區(qū)*/ elseprintf( 生產(chǎn)者:%d指針指向:%2d生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào):%2dn,(int)tid,produce_pointer-1,bufferproduc

20、e_pointer-1);/*輸出生產(chǎn)者，指針，緩存區(qū) */fprintf(fd, 生產(chǎn)者:%d 指針指向:%2d 生產(chǎn)產(chǎn)品 號(hào):%2dn,(int)tid,produce_pointer-1,bufferproduce_pointer-1);/*輸出生產(chǎn)者，指針，緩存區(qū) */showbuf();sem_post(&buffer_mutex);sem_post(&consumer_semaphore); /* 通知消費(fèi)者緩沖區(qū)不是空的 */srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%5+1); /*等待幾秒鐘，然后繼續(xù)生產(chǎn)*/return (void

21、*)0);void *consumer_thread(void *tid)/*可以被其他線程使用*/pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL);/* 設(shè)置狀態(tài)，PTHREAD_CANCEL_ENABLE 是忽略 cancel 信號(hào)*/while(1)sem_wait(&consumer_semaphore); /*通知消費(fèi)者消費(fèi) */srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%2+1);/*一個(gè)或兩個(gè)來消費(fèi) */sem_wait(&buffer_mutex);printf( 消費(fèi)者:%d指針指

22、向:%2d消費(fèi)產(chǎn)品號(hào):%2dn,(int)tid,consume_pointer,bufferconsume_pointer);/*輸出消費(fèi)者，消費(fèi)者指針，緩存區(qū) */fprintf(fd, 消費(fèi)者:%d指針指向:%2d消費(fèi)產(chǎn)品號(hào):%2dn,(int)tid,consume_pointer,bufferconsume_pointer);/*輸出消費(fèi)者，消費(fèi)者指針，緩存區(qū) */bufferconsume_pointer=0; /*消費(fèi)者指針指向 0*/consume_pointer=(consume_pointer+1)%20;showbuf();sem_post(&buffer_mutex);

23、sem_post(&producer_semaphore); /*通知生產(chǎn)者緩沖區(qū)不是空的*/srand(int)time(NULL)*(int)tid);sleep(rand()%5+1); /*等待幾秒鐘，然后繼續(xù)消費(fèi)*/)return (void*)0);)/*查看緩沖區(qū)內(nèi)容*/void showbuf()int i; /* 定義 i*/printf(buffer:);/*輸出緩存區(qū) */fprintf(fd,buffer:);/*輸出緩存區(qū) */for(i=0;iMAX_BUFFER;i+)printf(%2d ,bufferi);/* 輸出緩存區(qū) i*/fprintf(fd,%2d

24、,bufferi); /*輸出緩存區(qū) i*/printf(nn);/*換行*/fprintf(fd,nn); /*換行 */實(shí)驗(yàn)結(jié)果文件()編揖(日 查看(Y)搜索(S)終端(工)幫助出)rootlocal.host 臬面#rootlocalhost 桌面 j#gcc 3.c -o 3 -Ipthread ./3rootlocalhost:/ 桌面生產(chǎn)者：5 緩沖區(qū)：1指針指向：60 0 0 0生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào)：10 0 0 0 0生產(chǎn)者：3卷神區(qū)：1指針指向：112 0 e e生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào)：120 0 0 0 0生產(chǎn)者:1 絳神區(qū)：1指針指向：212 19 0 0生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào):19o e o e e生

25、產(chǎn)者:4線神區(qū)：1指針指向：312 19 19 0生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào)：190 0 0 0生產(chǎn)青：2領(lǐng)神區(qū)：1指針指向：412 19 19 9生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào)：0 0 0 0，消費(fèi)者:1線神區(qū)：0指針指向：012 19 19 9消費(fèi)產(chǎn)品號(hào)：0 e o e津費(fèi)者:2線沖區(qū)：0指針指向：1 0 19 19 9消費(fèi)產(chǎn)品號(hào)：120 0 0 0 0造費(fèi)者:3綏神區(qū)：0指針指向：20 0 19 9消費(fèi)產(chǎn)品號(hào)：190 0 0 0 0消費(fèi)者：4 綏神區(qū)：。指針指向：30 0 0 9消費(fèi)產(chǎn)品號(hào)：190 0 0 0港費(fèi)者:5 鎂神區(qū)：指針指向：40 0 0 0消費(fèi)產(chǎn)品號(hào)：0 0 0 0生產(chǎn)者:1 緣神區(qū)：。指針指向：5e e e

26、 e 18生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào)：18o e o e生產(chǎn)者：5線神區(qū)：0指針指向：60 0 0 0 18生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào)：10 0 0文件(E)編輯(E)查看Q)搜索(S)終端(工)幫助(H)生產(chǎn)者：3緩沖區(qū)：0指針指向：80 0 0 0生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào)：90 6 9 0生產(chǎn)者:2 緩沖區(qū)：。指針指向：90 0 0 0生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào)：0 6 9 9消費(fèi)者:2緩沖區(qū)：。指針指向：70 0 0 0消費(fèi)產(chǎn)品號(hào)：0 0 9 9消費(fèi)者:4緩神區(qū)：0指針指向：80 0 0 0消費(fèi)產(chǎn)品號(hào)：0 0 0 9生產(chǎn)者：1 緩沖區(qū)：。指針指向：100 0 0 0生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào)：1717消費(fèi)者：3緩神區(qū)：0指針指向：90 0 0 0消費(fèi)產(chǎn)品號(hào)：e e

27、 e o917生產(chǎn)者：3 緩沖區(qū)：。指針指向：H0 0 0 0生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào)：130 0 0 0 1713生產(chǎn)者:4緩神區(qū):0指針指向:120 0 0 0生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào)：120 0 0 0 171312生產(chǎn)者：5緩沖區(qū)：0指針指向：130 0 0 0生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào):180 0 0 0 17131218生產(chǎn)者：2緩神區(qū):0指針指向：140 0 0 0生產(chǎn)產(chǎn)品號(hào)：12e e 0 o 1713121812消費(fèi)者：2 緩沖區(qū)：。指針指向：ie0 0 0 0消費(fèi)產(chǎn)品號(hào)：170 0 0 0 0131812消費(fèi)者：5緩神區(qū)：0指針指向：116 0 0 0消費(fèi)產(chǎn)品號(hào)：136 0 0 0 0121812消費(fèi)者:4緩沖區(qū)：0

28、指針指向：120 0 0 0消費(fèi)產(chǎn)品號(hào)：120 0 0 0 01812.結(jié)論本次課程設(shè)計(jì)主要是對(duì)操作系統(tǒng)中線程，進(jìn)程同步互斥等知識(shí)的揉合應(yīng)用， 生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題是一個(gè)著名的同步問題，原理易懂，但操作并不簡(jiǎn)單。本次 編寫的程序基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求的功能，但并沒有做到真正的完善，系統(tǒng)還有一 點(diǎn)小瑕疵，對(duì)于某些方面的小問題沒有能解決。 但這次課程設(shè)計(jì)通過我們組員的 努力還是基本完成了，對(duì)于自身的幫助非常大，無論是編寫程序還是設(shè)計(jì)等各方 面都有很大的提升。.收獲、體會(huì)和建議經(jīng)過2.5天的課程設(shè)計(jì)，我們完成了一個(gè)生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題的小程序，這 個(gè)程序主要考察的是是P、V操作，實(shí)驗(yàn)設(shè)一個(gè)共享緩沖區(qū)，生產(chǎn)者和消費(fèi)者互 斥的使用，當(dāng)一個(gè)線程使用緩沖區(qū)的時(shí)候，另一個(gè)讓其等待直到前一個(gè)線程釋放 緩沖區(qū)為止。還有就是對(duì)進(jìn)程，線程的操作。實(shí)