第一篇：實驗4生產(chǎn)者消費者問題報告
南京信息工程大學(xué) 實驗（實習(xí)）報告
實驗（實習(xí)）名稱 生產(chǎn)者-消費者問題的模擬實現(xiàn) 實驗（實習(xí)）日期 2014.11.30 得分 指導(dǎo)教師 陳遙
系 計算機(jī)
專業(yè) 計科 年級 12級
班次 2 姓名 唐薇 學(xué)號 20122308061
一、實驗?zāi)康?/p>
本實驗的目的是通過編寫和調(diào)試一個解決生產(chǎn)者–消費者問題的簡單模擬程序，進(jìn)一步深入理解課堂教學(xué)中講授的進(jìn)程同步問題，以及用于解決同步問題的信號量機(jī)制的基本思想，即通過研究進(jìn)程同步和信號量機(jī)制實現(xiàn)生產(chǎn)者消費者問題的并發(fā)控制，以便階段性地鞏固學(xué)習(xí)成果。
二、實驗內(nèi)容
（1）概述
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)項設(shè)定為1-20這20個整型數(shù)。
編制程序模擬解決生產(chǎn)者-消費者同步問題。具體設(shè)計要求:(1)每個生產(chǎn)者和消費者對有界緩沖區(qū)進(jìn)行操作后,即時顯示有界緩沖區(qū)的全部內(nèi)容,當(dāng)前指針位置和生產(chǎn)者/消費線程的標(biāo)識符。(2)生產(chǎn)者和消費者各有兩個以上。(3)多個生產(chǎn)者或多個消費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)計原理
通過一個有界緩沖區(qū)把生產(chǎn)者和消費者聯(lián)系起來。假定生產(chǎn)者和消費者的優(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)該禁止消費者從空的緩沖區(qū)中取出產(chǎn)品，這一機(jī)制由生產(chǎn)者線程和消費者線程之間的互斥關(guān)系來實現(xiàn)。與計算打印兩進(jìn)程同步關(guān)系相同，生產(chǎn)者和消費者兩進(jìn)程Producer和Consumer之間應(yīng)滿足下列兩個同步條件：
? 只有在緩沖池中至少有一個緩沖區(qū)已存入消息后，消費者才能從中提取信息，否則消費者必須等待。
? 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)，否則生產(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。這個資源是消費者進(jìn)程Consumer所有，Consumer進(jìn)程可以申請該資源，對它施加P操作，而Consumer進(jìn)程的合作進(jìn)程生產(chǎn)者進(jìn)程Producer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in和取出指針out。
為解決生產(chǎn)者/消費者問題，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（信號量）減1；
? 若sem減一后仍大于或等于零，則進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；
? 若sem減一后小于零，則該進(jìn)程被阻塞后入與該信號相對應(yīng)的隊列中，然后轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度。V原語的操作主要動作是：
? sem加1；
? 若相加結(jié)果大于零，進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；
③若相加結(jié)果小于或等于零，則從該信號的等待隊列中喚醒一等待進(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)建互斥信號量g_hMutex，表示緩沖區(qū)當(dāng)前的狀態(tài)，若為true時，則表示緩沖區(qū)正被別的進(jìn)程使用。三個參數(shù)表示的意義分別為：指向安全屬性的指針，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)建緩沖區(qū)空的信號量g_hFullSemaphore，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)的初始計數(shù)、設(shè)置信號機(jī)的最大計數(shù)、指定信號機(jī)對象的名稱（-1是因為計數(shù)從開始）。
3）利用函數(shù)CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL)創(chuàng)建緩沖區(qū)滿的信號量g_hEmptySemaphore，該值為true時表示緩沖區(qū)為空。
程序清單 1.存儲結(jié)構(gòu)定義
利用信號量解決生產(chǎn)者消費者問題
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_buffer[SIZE_OF_BUFFER];//緩沖區(qū)是個循環(huán)隊列 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)空時迫使消費者等待 DWORD WINAPI Producer(LPVOID);//生產(chǎn)者線程 DWORD WINAPI Consumer(LPVOID);//消費者線程
2.算法相關(guān)的函數(shù)
（1）創(chuàng)建各個互斥信號以及生產(chǎn)者線程和消費者線程的函數(shù)在如下主函數(shù)里面所示： int main(){ //創(chuàng)建各個互斥信號
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)多于消費者個數(shù)時，//生產(chǎn)速度快，生產(chǎn)者經(jīng)常等待消費者；反之，消費者經(jīng)常等待。const unsigned short PRODUCERS_COUNT = 3;//生產(chǎn)者的個數(shù) const unsigned short CONSUMERS_COUNT = 1;//消費者的個數(shù) //總的線程數(shù)
const unsigned short THREADS_COUNT=PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT;HANDLE hThreads[THREADS_COUNT];//各線程的handle DWORD producerID[PRODUCERS_COUNT];//生產(chǎn)者線程的標(biāo)識符 DWORD consumerID[CONSUMERS_COUNT];//消費者線程的標(biāo)識符 //創(chuàng)建生產(chǎn)者線程
for(int i=0;i< PRODUCERS_COUNT;++i){ hThreads[i]=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producerID[i]);if(hThreads[i]==NULL)return-1;} //創(chuàng)建消費者線程
for(i=0;i //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_buffer[in] = 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)的代碼： //輸出緩沖區(qū)當(dāng)前的狀態(tài) for(int i=0;i for(int i=0;i DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara){ while(g_continue){ WaitForSingleObject(g_hFullSemaphore,INFINITE);WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE);Produce();Append();Sleep(1500);ReleaseMutex(g_hMutex);ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore,1,NULL);} return 0;}（2）消費者算法： //消費者 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;} ? 運行結(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，消費者開始從緩沖區(qū)中取出產(chǎn)品，當(dāng)消費者取出一個后，生產(chǎn)者開始繼續(xù)生產(chǎn)，當(dāng)生產(chǎn)完3個之后，消費者開始從緩沖池中取產(chǎn)品，依次循環(huán)。 三、小結(jié) 通過本次試驗，我對操作系統(tǒng)中線程，進(jìn)程同步互斥等知識的應(yīng)用有了更深的了解，我知道了生產(chǎn)者—消費者問題是很著名的同步問題，的確是既簡單又復(fù)雜。 實 驗 二 經(jīng) 典 的 生 產(chǎn) 者 — 消 費 者 問 題 一、目的 實現(xiàn)對經(jīng)典的生產(chǎn)者—消費者問題的模擬，以便更好的理解經(jīng)典進(jìn)程同步問題。 二、實驗內(nèi)容及要求 編制生產(chǎn)者—消費者算法，模擬一個生產(chǎn)者、一個消費者，共享一個緩沖池的情形。 1、實現(xiàn)對經(jīng)典的生產(chǎn)者—消費者問題的模擬，以便更好的理解此經(jīng)典進(jìn)程同步問題。生產(chǎn)者－ 消費者問題是典型的 PV 操作問題，假設(shè)系統(tǒng)中有一個比較大的緩沖池，生產(chǎn)者的任務(wù)是只要緩沖池未滿就可以將生產(chǎn)出的產(chǎn)品放入其中，而消費者的任務(wù)是只要緩沖池未空就可以從緩沖池中拿走產(chǎn) 品。緩沖池被占用時，任何進(jìn)程都不能訪問。 2、每一個生產(chǎn)者都要把自己生產(chǎn)的產(chǎn)品放入緩沖池，每個消費者從緩沖池中取走產(chǎn)品消費。在這種情況下，生產(chǎn)者消費者進(jìn)程同步，因為只有通過互通消息才知道是否能存入產(chǎn)品或者取走產(chǎn)品。他們之間也存在互斥，即生產(chǎn)者消費者必須互斥訪問緩沖池，即不能有兩個以上的進(jìn)程同時進(jìn)行。 三、生產(chǎn)者和消費者原理分析 在同一個進(jìn)程地址空間內(nèi)執(zhí)行兩個線程。 生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品，然后將物品放置在一個空緩沖區(qū)中供消費者線程消費。 消費者線程從緩沖區(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，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者線程釋放一個空緩沖區(qū)。 當(dāng)消費者線程消費物品時，如果沒有滿的緩沖區(qū)，那么消費者線程將被阻擋，直到新的物品被生產(chǎn)出來。 四、生產(chǎn)者與消費者功能描述： 生產(chǎn)者功能描述：在同一個進(jìn)程地址空間內(nèi)執(zhí)行兩個線程。生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品，然后將物品放置在一個空緩沖區(qū)中供消費者線程消費。當(dāng)生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品時，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者線程釋放出一個空緩沖區(qū)。 消費者功能描述：消費者線程從緩沖區(qū)獲得物品，然后釋放緩沖區(qū)，當(dāng)消費者線程消費物品時，如果沒有滿的緩沖區(qū)，那么消費者線程將被阻塞，直到新的物品被生產(chǎn)出來。 五、實驗環(huán)境 操作系統(tǒng)環(huán)境： Windows 系統(tǒng)。編程語言： C#。 六、生產(chǎn)者與消費者的思路和設(shè)計 1、程序流程圖 (1)生產(chǎn)者 開 始 生產(chǎn)產(chǎn)品 Wait empty ≤ 0 Y N Wait 緩沖區(qū)內(nèi)已滿，已無 可用緩沖區(qū) N Mutex=1 Y 緩沖區(qū)正被其他 程占用 進(jìn) 存入緩沖區(qū) empty = empty-1 Signal Signal(full)結(jié) 束 (2)消費者 開 始 Wait(full)消費請求 full ≤ 0 Y N Wait 緩沖區(qū)內(nèi)產(chǎn)品已空，不能進(jìn)行消費 N Mutex=1 Y 消 費 緩沖區(qū)正被其他 程占用 進(jìn) full = full-1 Signal Signal 結(jié) 束 2、主要程序代碼 // 初始化變量 private void Form1_Load(object sender, EventArgs e){ mutex = 1;// 互斥信號量 full = 0;// 緩沖池中滿緩沖區(qū)的數(shù)量 empty = 5;// 緩沖池中空緩沖區(qū)的數(shù)量 count1 = 0;// 生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)目 i = 0;= “1”;= “0”;= “5”;} // 消費者從緩沖區(qū)中消費一個產(chǎn)品 private void consumer_Click(object sender, EventArgs e){ if(full > 0){ // 消費者已進(jìn)入互斥臨界區(qū) if(mutex == 1)// 申請進(jìn)入臨界區(qū) { mutex = 0;// 消費者已進(jìn)入互斥臨界區(qū) = “0”;= true;// 啟動消費者消費緩沖區(qū)產(chǎn)品 } else {(“ 緩沖區(qū)被占用，請等待。。 ”, “ 信息提 ”;} } else {(“ 緩沖區(qū)為空，不能消費!”, “ 信息提示 ”,;} } // 生產(chǎn)者向緩沖區(qū)中存入一個產(chǎn)品 private void producer_Click(object sender, EventArgs e){ count1 = count1 + if(empty > 0){ 1; // // 生產(chǎn)一個產(chǎn)品 有緩沖區(qū)可放產(chǎn)品 if(mutex == 1){ // 申請進(jìn)入臨界區(qū) mutex = 0; // 生產(chǎn)者已進(jìn)入臨界區(qū) = “0”; ();// 啟動生產(chǎn)者將產(chǎn)品放入緩沖區(qū) } else { // 不能進(jìn)入臨界區(qū) count1 = count1-1;(“ 緩沖區(qū)被占用，請等待。。 ”, “ 信息提示 ”,;} } else {(“ 緩沖區(qū)已滿!”, “ 信息提示 ”,;// 無緩沖區(qū)可放產(chǎn)品 count1 = count1-1;} } // 生產(chǎn)者 private void timer1_Tick_1(object sender, EventArgs e){ if(bool1){ switch(count1){ case 1: = true;break;case 2: = true;break;case 3: = true;break;case 4: = true;break;case 5: = true;break;} = “ 生產(chǎn)者進(jìn)程占用緩沖區(qū)，請等待。。 ”;bool1 = false;} else { switch(count1){ case 1: = false;break;case 2: = false;break;case 3: = false;break;case 4: = false;break;case 5: = false;break;} = “ 生產(chǎn)者進(jìn)程占用緩沖區(qū)，請等待。。 ”;bool1 = true;} i = i + 1;if(i == 5) { // 循環(huán)緩沖區(qū)，首尾相接 i = 0;= false;mutex = 1;= “1”;switch(count1){ case 1: = true;break;case 2: = true;break;case 3: = true;break;case 4: = true;break;case 5: = true;break;} full = full + 1;=();empty = empty-1;=();= “ 生產(chǎn)結(jié)束!”;} } // 消費者 private void timer_consumer_Tick(object sender, EventArgs e){ if(bool1){ switch(count1){ case 1: = true;break;case 2: = true;break;case 3: = true;break;case 4: = true;break;case 5: = true;break;} = “ 消費者進(jìn)程占用緩沖區(qū)，請等待。。 ”;bool1 =false;} else{ switch(count1){ case 1: = false;break;case 2: = false;break;case 3: = false;break;case 4: = false;break;case 5: = false;break;} = “ 消費者進(jìn)程占用緩沖區(qū)，請等待。。 ”;bool1= true;} i = i + 1;if(i==5){ i = 0;= false;mutex = 1;= “1”;switch(count1){ case 1: = false;break;case 2: = false;break;case 3: = false;break;case 4: = false;break;case 5: = false;break;} count1 = count1-1;full = full-1;=();empty = empty+1;=();=“ 消費結(jié)束！ ”;} 3、運行界面和運行結(jié)果 一般情況下，點一次生產(chǎn)者按紐，mutex 由 1 變?yōu)?0，緩沖區(qū)呈現(xiàn)閃爍狀態(tài)（表示正在存儲），此時不可以再進(jìn)行緩沖區(qū)操作，否則將顯示“生產(chǎn)者進(jìn)程正在占用緩沖區(qū)，請等待”。閃爍約秒后，mutex 由 0 變?yōu)?1，閃爍停止，表示存儲過程結(jié)束；點一次消費者按紐，mutex 由 1 變?yōu)?0，緩沖區(qū)呈現(xiàn)閃爍狀態(tài)（表示正在消費），此時不可以再進(jìn)行緩沖區(qū)操作，否則將顯示“消費者進(jìn)程正在占用緩 沖區(qū)，請等待”。閃爍約秒后，mutex 由 0 變?yōu)?1，閃爍停止，表示消費過程結(jié)束。緩沖池滿后，若再點生產(chǎn)者按紐，會給出信息提示： “緩沖區(qū)已滿!”。 緩沖池空后，若再點消費者按紐，也會給出信息提示： “緩沖區(qū)為空，不能消費!”。 在存儲狀態(tài)或消費狀態(tài)（閃爍狀態(tài)），無論是點生產(chǎn)者按紐還是消費者按紐都會給出“緩沖區(qū)被占用，請等待。”信息提示。 七、心得體會 本次實驗是關(guān)于生產(chǎn)者與消費者之間互斥和同步的問題。問題的是指是 P、V 操作，實驗設(shè)一個共享緩沖區(qū)，生產(chǎn)者和消費者互斥的使用，當(dāng)一個線程使用緩沖區(qū)的時候，另一個讓其等待直到前一 個線程釋放緩沖區(qū)為止。 生產(chǎn)者與消費者是一個與現(xiàn)實有關(guān)的經(jīng)驗問題，通過此原理舉一反三可以解決其他類似的問題。 通過本實驗設(shè)計，我們對操作系統(tǒng)的 P、V 進(jìn)一步的認(rèn)識，深入的了解 P、V 操作的實質(zhì)和其重 要性。課本的理論知識進(jìn)一步闡述了現(xiàn)實中的實際問題。 實驗中，我們小組分工合作，共同學(xué)習(xí)，雖然在實驗中遇到了一些問題，但在老師和同學(xué)的細(xì)心指導(dǎo)和熱心幫助下解決了。同時，了解到團(tuán)隊精神的重要性，也為以后的學(xué)習(xí)和工作打下了堅實的基礎(chǔ)，同時積累了寶貴的經(jīng)驗。 實驗報告五 ——生產(chǎn)者和消費者問題 姓名：叢菲 學(xué)號：20100830205 班級：信息安全二班 一、實習(xí)內(nèi)容 ? ? 1、模擬操作系統(tǒng)中進(jìn)程同步和互斥 2、實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者問題的算法實現(xiàn) 二、實習(xí)目的 ? ? ? ? ? 1、熟悉臨界資源、信號量及PV操作的定義與物理意義 2、了解進(jìn)程通信的方法 3、掌握進(jìn)程互斥與進(jìn)程同步的相關(guān)知識 4、掌握用信號量機(jī)制解決進(jìn)程之間的同步與互斥問題 5、實現(xiàn)生產(chǎn)者－消費者問題，深刻理解進(jìn)程同步問題 三、實習(xí)題目 ? 在Linux操作系統(tǒng)下用C實現(xiàn)經(jīng)典同步問題：生產(chǎn)者—消費者，具體要求如下： (1)一個大小為10的緩沖區(qū)，初始狀態(tài)為空。 (2)2個生產(chǎn)者，隨機(jī)等待一段時間，往緩沖區(qū)中添加數(shù)據(jù)，若緩沖區(qū)已滿，等待消費者取走數(shù)據(jù)之后再添加，重復(fù)10次。 (3)2個消費者，隨機(jī)等待一段時間，從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，若緩沖區(qū)為空，等待生產(chǎn)者添加數(shù)據(jù)之后再讀取，重復(fù)10次。? 提示 本實驗的主要目的是模擬操作系統(tǒng)中進(jìn)程同步和互斥。在系統(tǒng)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行異步推進(jìn)的過程中，由于資源共享和進(jìn)程間合作而造成進(jìn)程間相互制約。進(jìn)程間的相互制約有兩種不同的方式。 （1）間接制約。這是由于多個進(jìn)程共享同一資源（如CPU、共享輸入/輸出設(shè)備）而引起的，即共享資源的多個進(jìn)程因系統(tǒng)協(xié)調(diào)使用資源而相互制約。 （2）直接制約。只是由于進(jìn)程合作中各個進(jìn)程為完成同一任務(wù)而造成的，即并發(fā)進(jìn)程各自的執(zhí)行結(jié)果互為對方的執(zhí)行條件，從而限制各個進(jìn)程的執(zhí)行速度。 生產(chǎn)者和消費者是經(jīng)典的進(jìn)程同步問題，在這個問題中，生產(chǎn)者不斷的向緩沖區(qū)中寫入數(shù)據(jù)，而消費者則從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。生產(chǎn)者進(jìn)程和消費者對緩沖區(qū)的操作是互斥，即當(dāng)前只能有一個進(jìn)程對這個緩沖區(qū)進(jìn)行操作，生產(chǎn)者進(jìn)入操作緩沖區(qū)之前，先要看緩沖區(qū)是否已滿，如果緩沖區(qū)已滿，則它必須等待消費者進(jìn)程將數(shù)據(jù)取出才能寫入數(shù)據(jù)，同樣的，消費者進(jìn)程從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)之前，也要判斷緩沖區(qū)是否為空，如果為空，則必須等待生產(chǎn)者進(jìn)程寫入數(shù)據(jù)才能讀取數(shù)據(jù)。 在本實驗中，進(jìn)程之間要進(jìn)行通信來操作同一緩沖區(qū)。一般來說，進(jìn)程間的通信根據(jù)通信內(nèi)容可以劃分為兩種：即控制信息的傳送與大批量數(shù)據(jù)傳送。有時，也把進(jìn)程間控制在本實驗中，進(jìn)程之間要進(jìn)行通信來操作同一緩沖區(qū)。一般來說，進(jìn)程間的通信根據(jù)通信內(nèi)容可以劃分為兩種：即控制信息的傳送與大批量數(shù)據(jù)傳送。有時，也把進(jìn)程間控制信息的交換稱為低級通信，而把進(jìn)程間大批量數(shù)據(jù)的交換稱為高級通信。 目前，計算機(jī)系統(tǒng)中用得比較普遍的高級通信機(jī)制可分為3大類：共享存儲器系統(tǒng)、消息傳遞系統(tǒng)及管道通信系統(tǒng)。 ? 共享存儲器系統(tǒng) 共享存儲器系統(tǒng)為了傳送大量數(shù)據(jù)，在存儲器中劃出一塊共享存儲區(qū)，諸進(jìn)程可通過對共享存儲區(qū)進(jìn)行讀數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)以實現(xiàn)通信。進(jìn)程在通信之前，向系統(tǒng)申請共享存儲區(qū)中的一個分區(qū)，并為它指定一個分區(qū)關(guān)鍵字。信息的交換稱為低級通信，而把進(jìn)程間大批量數(shù)據(jù)的交換稱為高級通信。 目前，計算機(jī)系統(tǒng)中用得比較普遍的高級通信機(jī)制可分為3大類：共享存儲器系統(tǒng)、消息傳遞系統(tǒng)及管道通信系統(tǒng)。 ? 消息傳遞系統(tǒng) 在消息傳遞系統(tǒng)中，進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換以消息為單位，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中被稱為報文。消息傳遞系統(tǒng)的實現(xiàn)方式又可以分為以下兩種：(1)直接通信方式 發(fā)送進(jìn)程可將消息直接發(fā)送給接收進(jìn)程，即將消息掛在接收進(jìn)程的消息緩沖隊列上，而接收進(jìn)程可從自己的消息緩沖隊列中取得消息。(2)間接通信方式 發(fā)送進(jìn)程將消息發(fā)送到指定的信箱中，而接收進(jìn)程從信箱中取得消息。這種通信方式又稱信箱通信方式，被廣泛地應(yīng)用于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中。相應(yīng)地，該消息傳遞系統(tǒng)被稱為電子郵件系統(tǒng)。 ? 管道通信系統(tǒng) 向管道提供輸入的發(fā)送進(jìn)程，以字符流方式將大量的數(shù)據(jù)送入管道，而接收進(jìn)程從管道中接收數(shù)據(jù)。由于發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程是利用管道進(jìn)行通信的，故稱為管道通信。為了協(xié)調(diào)發(fā)送和接收雙方的通信，管道通信機(jī)制必須提供以下3方面的協(xié)調(diào)功能。（1）互斥 當(dāng)一個進(jìn)程正在對pipe文件進(jìn)行讀或?qū)懖僮鲿r，另一個進(jìn)程必須等待。（2）同步 當(dāng)寫進(jìn)程把一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寫入pipe文件后，便阻塞等待，直到讀進(jìn)程取走數(shù)據(jù)后，再把寫進(jìn)程喚醒。 （3）確認(rèn)對方是否存在 只有確定對方已存在時，才能進(jìn)行管道通信，否則會造成因?qū)Ψ讲淮嬖诙鵁o限制地等待。在這個問題當(dāng)中，我們采用信號量機(jī)制進(jìn)行進(jìn)程之間的通信，設(shè)置兩個信號量，空的信號量和滿的信號量。在Linux系統(tǒng)中，一個或多個信號量構(gòu)成一個信號量集合。使用信號量機(jī)制可以實現(xiàn)進(jìn)程之間的同步和互斥，允許并發(fā)進(jìn)程一次對一組信號量進(jìn)行相同或不同的操作。每個P、V操作不限于減1或加1，而是可以加減任何整數(shù)。在進(jìn)程終止時，系統(tǒng)可根據(jù)需要自動消除所有被進(jìn)程操作過的信號量的影響 1．緩沖區(qū)采用循環(huán)隊列表示，利用頭、尾指針來存放、讀取數(shù)據(jù)，以及判斷隊列是否為空。緩沖區(qū)中數(shù)組大小為10； 2．利用隨機(jī)函數(shù)rand()得到A～Z的一個隨機(jī)字符，作為生產(chǎn)者每次生產(chǎn)的數(shù)據(jù)，存放到緩沖區(qū)中； 3.使用shmget()系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)共享主存段的創(chuàng)建，shmget()返回共享內(nèi)存區(qū)的ID。對于已經(jīng)申請到的共享段，進(jìn)程需把它附加到自己的虛擬空間中才能對其進(jìn)行讀寫。 4.信號量的建立采用semget()函數(shù)，同時建立信號量的數(shù)量。在信號量建立后，調(diào)用semctl()對信號量進(jìn)行初始化，例如本實習(xí)中，可以建立兩個信號量SEM_EMPTY、SEM_FULL，初始化時設(shè)置SEM_EMPTY為10，SEM_FULL為0。使用操 作信號的函數(shù)semop()做排除式操作，使用這個函數(shù)防止對共享內(nèi)存的同時操作。對共享內(nèi)存操作完畢后采用shmctl()函數(shù)撤銷共享內(nèi)存段。 5.使用循環(huán)，創(chuàng)建2個生產(chǎn)者以及2個消費者，采用函數(shù)fork()創(chuàng)建一個新的進(jìn)程。6．一個進(jìn)程的一次操作完成后，采用函數(shù)fflush()刷新緩沖區(qū)。7．程序最后使用semctl()函數(shù)釋放內(nèi)存。模擬程序的程序流程圖如下所示： 1.主程序流程圖： 2.生產(chǎn)者進(jìn)程流程圖 3.消費者進(jìn)程流程圖 4.P操作流程圖 5.V操作流程圖 四、實現(xiàn)代碼為： // exet5.cpp //#include “stdafx.h” #include = {7,10,1,2,10,3,10,4,2,3,10,3,2,1,2,10,1,7,10,1};void build();void LRU(); int main(intargc, char *argv[]){ printf(“Random sequence is as follows:n”);build();printf(“nInvoking LRU Algorithn: n”);LRU();return 0;} void build(){ inti = 0;for(i=0;i { process[i] =(int)(10.0*rand()/(RAND_MAX));printf(“%d ”,process[i]); } printf(“n”);} void LRU(){ int flag[mSIZE] = {0};inti = 0, j = 0;int m =-1, n =-1;int max =-1,maxflag = 0;int count = 0;for(i = 0;i //Find the first free Physical Block for(j=0;j { if(memery[j] == 0) { m = j;break; } } //Find if there are same processes for(j = 0;j { if(memery[j] == process[i]) { n = j; } } //Find free PB for(j = 0;j { if(flag[j]>maxflag) { maxflag = flag[j];max = j; } } if(n ==-1)// Find no same process { if(m!=-1)// find free PB { memery[m] = process[i];flag[m] = 0;for(j = 0;j <= m;j++) { flag[j]++; } m =-1; } else //NO find free PB { memery[max] = process[i];flag[max] = 0; for(j = 0;j { flag[j]++; } max =-1;maxflag = 0;count++; } } else // Find same process { memery[n] = process[i];flag[n] = 0;if(m!=-1)//find free PB { flag[m] = 0; } for(j = 0;j { flag[j]++; } max =-1;maxflag = 0; n =-1; } for(j = 0;j { printf(“%d ”,memery[j]); } printf(“n”);} printf(“nThe is: %dn”,count);} times of page conversion 五、在虛擬機(jī)上的具體操作及結(jié)果 執(zhí)行exe5.c文件 選擇Applications?Acecessories?Terminal,執(zhí)行文件： 依次預(yù)處理?編譯?匯編?連接?執(zhí)行用文件，編譯通過之后-o執(zhí)行。報錯??！錯誤顯示為很多頭文件沒有預(yù)定義。連續(xù)查找之后得知原因是鏈接不上pthread庫 在執(zhí)行命令后面加上-pthread，即新命令格式為：gcc-oexe5exe5.c–lpthread，重新執(zhí)行后的結(jié)果顯示如下截圖： 其中1表示緩沖區(qū)被生產(chǎn)者producer1或者二producer2寫入了Item，0表示沒有寫入數(shù)據(jù)或者被消費者consumer1或者consumer2消耗掉 六、實驗總結(jié)及思考 1、本次實驗是關(guān)于生產(chǎn)者與消費者之間互斥和同步的問題。問題的是指是P、V操作，實驗設(shè)一個共享緩沖區(qū)，生產(chǎn)者和消費者互斥的使用，當(dāng)一個線程使用緩沖區(qū)的時候，另一個讓其等待直到前一個線程釋放緩沖區(qū)為止。 2、實驗中包含的知識點很多，包括臨界區(qū)資源共享問題、信號量定義、PV操作流程、進(jìn)程間的通信方式（消息傳遞和共享內(nèi)存）、進(jìn)程同步和互斥、信號量機(jī)制解決進(jìn)程之間的同步與互斥問題等等。加深了對于本部分內(nèi)容的理解 通過本實驗設(shè)計，我們對操作系統(tǒng)的P、V進(jìn)一步的認(rèn)識，深入的了解P、V操作的實質(zhì)和其重要性。課本的理論知識進(jìn)一步闡述了現(xiàn)實中的實際問題。 湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院11級計算機(jī)專業(yè)操作系統(tǒng)課程設(shè)計 （操作系統(tǒng)課程設(shè)計） 生 產(chǎn) 者 和 消 費 湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院11級計算機(jī)專業(yè)操作系統(tǒng)課程設(shè)計 者 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 班 級： 0311401、02、03、04班制 二〇一三年十二月 一、課程題目分析 這個題目是生產(chǎn)者向消費者提供商品，消費者消耗商品，并且兩組人共用同一緩沖區(qū)。生產(chǎn)者提供了商品之后消費者才能去取商品，消費者若不取走商品則當(dāng)緩沖區(qū)用完之后生產(chǎn)者則不能再向緩沖區(qū)中添加新的商品。 思考問題： （1）對于生產(chǎn)者進(jìn)程：每產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)，則需去訪問共用緩沖區(qū)是否有已滿，未滿則可以將該數(shù)據(jù)存入并通知消費者進(jìn)程，否則不能。 （2）對于消費者進(jìn)程：每當(dāng)想去消費（取出數(shù)據(jù)）時，則需訪問緩沖區(qū)是否為空，為空則不能消費（取出數(shù)據(jù)），否則可以取，并通知生產(chǎn)者。 （3）緩沖區(qū)是個臨界資源，所有的進(jìn)程對于該空間都是共享的，所以，還有互斥問題存在。 二、課程設(shè)計目的 通過實驗?zāi)M生產(chǎn)者與消費者之間的關(guān)系，了解并掌握他們之間的關(guān)系及原理。由此增加對進(jìn)程同步問題的了解： （1）掌握基本的同步互斥算法，理解生產(chǎn)者與消費者模型 （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）間的同步于互斥 （3）學(xué)習(xí)使用windows中基本的同步對象，掌握相應(yīng)的API。 三、課程設(shè)計內(nèi)容 有n個生產(chǎn)者和m個消費者，連接在具有k個單位緩沖區(qū)的有界環(huán)轉(zhuǎn)緩沖上，湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院11級計算機(jī)專業(yè)操作系統(tǒng)課程設(shè)計 故又稱有界緩沖問題。其中Pi和Cj都是并發(fā)進(jìn)程，只要緩沖區(qū)未滿，生產(chǎn)者進(jìn)程Pi所生產(chǎn)的產(chǎn)品就可投入緩沖區(qū)；類似地，只要緩沖區(qū)非空，消費者進(jìn)程Cj就可以從緩沖區(qū)取走并消耗產(chǎn)品。 四、開發(fā)環(huán)境 操作系統(tǒng)：Windows系統(tǒng) 編寫語言：C++語言 五、系統(tǒng)分析設(shè)計 （一）算法原理 生產(chǎn)者——消費者問題是典型的進(jìn)程同步問題，這些進(jìn)程必須按照一定的生產(chǎn)率和消費率來訪問共享緩沖區(qū)，用P、V操作解決生產(chǎn)者和消費者共享單緩沖區(qū)的問題，可設(shè)置兩個信號量empty和full，其初值分別為1和0，empty指示能否向緩沖區(qū)放入產(chǎn)品，full指示能否從緩沖區(qū)取出產(chǎn)品。為了使其協(xié)調(diào)工作，必須使用一個信號量mutex（初值為1），以限制生產(chǎn)者和消費者互斥地對緩沖區(qū)進(jìn)行存取，另用兩個信號量empty1（初值為緩沖區(qū)大小）和full1（初值為0），以保證生產(chǎn)者不向已滿的緩沖區(qū)中放入產(chǎn)品，消費者不從空緩沖區(qū)中取產(chǎn)品。 （二）功能描述 生產(chǎn)者功能描述：在同一個進(jìn)程地址空間內(nèi)執(zhí)行兩個線程。生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品，然后將物品放置在一個空緩沖區(qū)中供消費者線程消費。當(dāng)生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品時，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者線程釋放出一個空緩沖區(qū)。 消費者功能描述：消費者線程從緩沖區(qū)獲得物品，然后釋放緩沖區(qū)，當(dāng)消費者線程消費物品時，如果沒有滿的緩沖區(qū)，那么消費者線程將被阻塞，直到新的物品被生產(chǎn)出來。 （三）算法流程圖 生產(chǎn)者流程圖： 消費者流程圖： 湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院11級計算機(jī)專業(yè)操作系統(tǒng)課程設(shè)計 總的流程圖： 湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院11級計算機(jī)專業(yè)操作系統(tǒng)課程設(shè)計 開始Int i=1，n鍵盤輸入數(shù)字，初始化 n SeqSquare *b;b=new SeqSquare(n)；鍵盤輸入數(shù)字，改變i的值i==0？Y退出Ncout<<“請輸入正確的菜單項進(jìn)行操作!”< (四)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及部分函數(shù)描述 （1）類SeqSquare：對類SeqSquare的聲明及其中一些函數(shù) class SeqSquare { public: SeqSquare(int n);~SeqSquare();void P(int x);//p操作 void V(int x);//v操作 bool IsEmpty();//判斷是否為空 湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院11級計算機(jī)專業(yè)操作系統(tǒng)課程設(shè)計 bool IsFull();//判斷是否已滿 void deca();void decb();int getSize();int getmaxSize();int gettop();int geta();int getb();protected: private: };說明：①用動態(tài)整型數(shù)組*elements來代表緩沖區(qū)，不管是生產(chǎn)產(chǎn)品還是對已有產(chǎn)品的消費都需要訪問該緩沖區(qū)。②函數(shù)IsFull（）用于判斷緩沖區(qū)是否已滿，生產(chǎn)者能否使用緩沖區(qū)。③函數(shù)IsEmpty（）用于判斷緩沖區(qū)是否為空，消費者能否使用緩沖區(qū)。 （2）生產(chǎn)者和消費者操作及顯示函數(shù)showbuf： void producer(SeqSquare *a)//生產(chǎn)者操作 { } void consumer(SeqSquare *a)//消費者操作 { } //緩沖區(qū)顯示 void showbuf(SeqSquare *a){ }（3）在實現(xiàn)本程序的生產(chǎn)者消費者模型時，具體地通過以下同步對象實現(xiàn)互斥： int *elements;int top,a,b,maxSize;a->P(1);a->V(1);int i=a->getSize();湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院11級計算機(jī)專業(yè)操作系統(tǒng)課程設(shè)計 ①設(shè)一個互斥量Mutex，以實現(xiàn)生產(chǎn)者在查詢和保留緩沖區(qū)的下一個空位置時進(jìn)行互斥。 ②每一個生產(chǎn)者用一個信號量與消費者同步，通過設(shè)置Full實現(xiàn)，該組信號量用于表示相應(yīng)產(chǎn)品以生產(chǎn)。同時用一個表示空緩沖區(qū)數(shù)目的信號量Empty進(jìn)行類似的同步，指示緩沖區(qū)中是否存在空位置，以便開始生產(chǎn)下一個產(chǎn)品。 （四）調(diào)試過程 為解決生產(chǎn)者、消費者問題，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Full表示，其初值為用戶輸入的緩沖區(qū)的大小，另一個表示緩沖區(qū)中產(chǎn)品的數(shù)目，用Empty表示，其初值為0.另外，由于緩沖區(qū)是一個臨界資源，必須互斥使用，所以還需要再設(shè)置一個互斥信號量Mutex，其初值為1.在生產(chǎn)者、消費者問題中，信號量實現(xiàn)兩種功能。首先，他是生產(chǎn)產(chǎn)品和消費產(chǎn)品的計數(shù)器，計數(shù)器的初值是可使用的資源數(shù)目（緩沖區(qū)的長度）。其次，他是確保產(chǎn)品的生產(chǎn)者和消費者之間的動作同步的同步器。 生產(chǎn)者要生產(chǎn)一個產(chǎn)品時，首先對資源信號量Full和互斥信號量Mutex進(jìn)行P操作，申請資源。如果可以通過的話，就生產(chǎn)一個產(chǎn)品，并把產(chǎn)品送人緩沖區(qū)。然后對互斥信號量Mutex和資源信號量Empty進(jìn)行V操作，釋放資源。 消費者要消費一個產(chǎn)品時，首先對資源信號量Empty和互斥信號量Mutex進(jìn)行P操作，申請資源。如果可以通過的話就從緩沖區(qū)取出一個產(chǎn)品并消費掉。然后對互斥信號量Mutex和資源信號量Full進(jìn)行V操作，釋放資源。 如果緩沖區(qū)中已經(jīng)沒有可用資源，就把申請資源的進(jìn)程添加到等待隊列的隊尾。如果有一個資源被釋放，在等待隊列中的第一個進(jìn)程被喚醒并取得這個資源的使用權(quán)。 （五）參考資料 《操作系統(tǒng)教程》 孫鐘秀 高等教育出版社 《C++程序設(shè)計》 譚浩強(qiáng) 高等教育出版社 六、運行實例及結(jié)果分析 （一）運行實例 緩沖區(qū)大小為3，先生產(chǎn)一件產(chǎn)品，顯示緩沖區(qū)，再接著生產(chǎn)一件產(chǎn)品，消耗一件產(chǎn)品，顯示緩沖區(qū)，在消耗兩件產(chǎn)品，再生產(chǎn)4件產(chǎn)品，改變緩沖區(qū)的大小為6，顯示緩沖區(qū)，選擇一個未出現(xiàn)的選項，退出程序。 （二）結(jié)果顯示 湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院11級計算機(jī)專業(yè)操作系統(tǒng)課程設(shè)計 湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院11級計算機(jī)專業(yè)操作系統(tǒng)課程設(shè)計 （三）結(jié)果分析 （1）在每個程序中需要先做P，后做V，二者要成對出現(xiàn)，夾在二者中間的代碼段就是該進(jìn)程的臨界區(qū)。 （2）對同步信號量full和empty的P,V操作同樣必須成對出現(xiàn)，但它們分別位于不同的程序中。 （3）無論在生產(chǎn)者進(jìn)程中還是消費者進(jìn)程中，兩個P操作的次序不能顛倒：應(yīng)先執(zhí)行同步信號量的P操作，然后執(zhí)行互斥信號量的P操作。否則可能造成進(jìn)程死鎖。 七、個人體驗 雖然我也很想用java語言寫這個程序，但是由于自己學(xué)藝不精，所以只能用C++寫。通過這個實驗我發(fā)現(xiàn)我以前有很多知識都忘記了，重新拿起課本學(xué)習(xí)9 湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院11級計算機(jī)專業(yè)操作系統(tǒng)課程設(shè)計 時發(fā)現(xiàn)原來很多不懂得問題都有了新的認(rèn)識，有一種豁然開朗的感覺。也為我考研開了一個好的開頭。 我認(rèn)為我完成的這個設(shè)計做的比較出色的地方是對C++語言中類以及數(shù)組的運用，其實這里我對數(shù)組的操作是按照“先進(jìn)先出”的方法進(jìn)行運作的，這是參考了棧的工作原理，因為緩沖區(qū)一般也是堆棧，比較符合設(shè)計要求。 這次實驗中我感覺做的很粗糙，自己所想的模擬過程的確得到實現(xiàn)了，但是感覺靈活性不太高，思考還不過全面，應(yīng)該以后多注意一下，多考慮考慮才是。 在這次實驗中我重新將《C++程序設(shè)計》和《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》的幾個重要章節(jié)復(fù)習(xí)了一遍，對類、數(shù)組、C++的I/O流類庫以及堆棧的語句格式、注意細(xì)節(jié)都再一次熟悉，感覺蠻有趣的。不過，在編程過程中許多語句的小問題還真是出現(xiàn)不少，而且感覺自己對C++強(qiáng)大豐富的語句方法用得太呆板，不夠靈活，總是想到那些常用的，而忽略了顆粒讓語句更簡短的方法，以后要多多注意才是。 八、附錄 // 生產(chǎn)者消費者1.cpp : Defines the entry point for the console application.// #include “stdafx.h” #include “iostream” using namespace std;class SeqSquare { public: SeqSquare(int n);~SeqSquare();void P(int x); //p操作 void V(int x); //v操作 bool IsEmpty(); //判斷是否為空 bool IsFull(); //判斷是否已滿 void deca();void decb();int getSize();int getmaxSize();int gettop();int geta();int getb();protected: private: int *elements;int top,a,b,maxSize;};10 湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院11級計算機(jī)專業(yè)操作系統(tǒng)課程設(shè)計 bool SeqSquare::IsEmpty() //判斷是否為空 { return(top==-1)?true:false;} bool SeqSquare::IsFull() //判斷是否已滿 { return(top>=maxSize-1)?true:false;} void SeqSquare::deca(){ a--;} void SeqSquare::decb(){ b--;} int SeqSquare::getSize(){ return top+1;} int SeqSquare::getmaxSize(){ return maxSize;} int SeqSquare::gettop(){ return top;} int SeqSquare::geta(){ return a;} int SeqSquare::getb(){ 湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院11級計算機(jī)專業(yè)操作系統(tǒng)課程設(shè)計 return b;} SeqSquare::SeqSquare(int n){ top =-1;a = b =0;maxSize = n;elements = new int[maxSize];} void SeqSquare::P(int x){ if(IsFull()==true){ a=a+1;} else { elements[++top] = x; } } void SeqSquare::V(int x){ if(IsEmpty()==true){ b = b+1;} else { x = elements[top--]; } } 湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院11級計算機(jī)專業(yè)操作系統(tǒng)課程設(shè)計 void producer(SeqSquare *a) //生產(chǎn)者操作 { a->P(1);} void consumer(SeqSquare *a) //消費者操作 { a->V(1);} SeqSquare::~SeqSquare(){ delete elements;} //緩沖區(qū)顯示 void showbuf(SeqSquare *a){ int i=a->getSize(); } int main(){ int i,n;cout<<“請輸入緩沖區(qū)大?。骸? cout<<“請選擇操作： ”< 4.退出系統(tǒng)。 ”< ”< switch(i) { case 1: producer(s); if(s->geta()==0) { 湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院11級計算機(jī)專業(yè)操作系統(tǒng)課程設(shè)計 cout< } else { cout< s->deca(); } break; case 2: consumer(s); if(s->getb()==0) { cout< } else { cout< } break; case 3: showbuf(s); cout< ”<<“可用空間為：”<<(n-s->getSize())< break; case 4: cout< break; case 5: cout< cin>>n; s = new SeqSquare(n); cout< break; default: cout< } } return 0;} 閩江學(xué)院 計算機(jī)系 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)課程設(shè)計 設(shè)計內(nèi)容：進(jìn)程機(jī)制與并發(fā)程序設(shè)計——linux下生產(chǎn)者與消費者的問題實現(xiàn) 目錄： 一、設(shè)計內(nèi)容····························3 二、設(shè)計思想····························4 三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)····························5 四、PV操作代碼··························5 五、C++程序代碼·························6 六、運行結(jié)果截圖························9 七、參考文獻(xiàn)····························11 八、實驗總結(jié)····························11 一、設(shè)計內(nèi)容 進(jìn)程機(jī)制與并發(fā)程序設(shè)計————linux下生產(chǎn)者與消費者的問題實現(xiàn) 1．實驗?zāi)康?/p> （1）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(jī)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(jìn)程，在此進(jìn)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。 該文件的格式和含義如下： 3 1 P 3 2 P 4 3 C 4 1 4 P 2 5 C 3 1 2 4 第一行說明程序中設(shè)置幾個臨界區(qū)，其余每行分別描述了一個生產(chǎn)者或者消費者線程的信息。每一行的各字段間用Tab鍵隔開。不管是消費者還是生產(chǎn)者，都有一個對應(yīng)的線程號，即每一行開始字段那個整數(shù)。第二個字段用字母P或者C區(qū)分是生產(chǎn)者還是消費者。第三個字段表示在進(jìn)入相應(yīng)線程后，在進(jìn)行生產(chǎn)和消費動作前的休眠時間，以秒計時；這樣做的目的是可以通過調(diào)整這一列參數(shù)，控制開始進(jìn)行生產(chǎn)和消費動作的時間。如果是代表生產(chǎn)者，則該行只有三個字段。如果代表消費者，則該行后邊還有若干字段，代表要求消費的產(chǎn)品所對應(yīng)的生產(chǎn)者的線程號。所以務(wù)必確認(rèn)這些對應(yīng)的線程號存在并且該線程代表一個生產(chǎn)者。（2）生產(chǎn)和消費的規(guī)則 在按照上述要求創(chuàng)建線程進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作時，還需要符合以下要求： ①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)。 ②從上邊的測試數(shù)據(jù)文件例子可以看出，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。 ③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(yán)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。 ④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(jìn)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(Semaphore)、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(jìn)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。 二、設(shè)計思想 生產(chǎn)者進(jìn)程與消費者進(jìn)程是經(jīng)典的同步互斥關(guān)系。系統(tǒng)創(chuàng)建兩類進(jìn)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(jìn)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(jìn)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)），而消費者進(jìn)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(jìn)程課對循環(huán)緩沖池進(jìn)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1 三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) PCB* readyhead=NULL, * 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(jìn)程 Pempty()---如果緩沖區(qū)滿，該進(jìn)程進(jìn)入生產(chǎn)者等待隊列； linkqueue(exe,&producertail);// 把就緒隊列里的進(jìn)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in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+1 四、PV操作代碼 semaphore empty=n;semaphore full=0;semaphore mutex=1;message buffer[n];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 buffer[in];in=(in+1)%n;V(mutex);V(full);} while(true);} void consumer(){ do { P(full);P(mutex);get a message from buffer[out];out=(out+1)%n;V(mutex);V(empty);comsume a message;}while(true);} 五、C++程序代碼 #include “windows.h” #include “iostream.h” #include “math.h” #define random(rand()*10000)/RAND_MAX //定義一個隨機(jī)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!”< } void getconsum(){ Sleep(10001);//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”< HANDLE Mutex=CreateMutex(NULL, FALSE, “Mutex”);//用來實現(xiàn)進(jìn)程的互斥 HANDLE proceducer=CreateSemaphore(NULL, 1,1, “proceducer”);//定義信號量來進(jìn)行線程間的同步 HANDLE consumer=CreateSemaphore(NULL,0,3,“consum”);DWORD WINAPI consum(LPVOID pParm2)//消費的線程 { WaitForSingleObject(Mutex ,INFINITE);//p(mutex)來進(jìn)行互斥操作 count++;//生產(chǎn)的是第幾個產(chǎn)品 cout<<“第 ”< { if(waiting!=0){ cout<<“此時有”< else cout<<“沒有產(chǎn)品在等待”< 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”< return 0;} DWORD WINAPI proceducers(LPVOID 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(jìn)程 ReleaseMutex(Mutex);//v(mutex);proceduce();//生產(chǎn) finish++;//消費的產(chǎn)品數(shù)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”< cout< HANDLE hThread1;HANDLE hThread2;hThread2=::CreateThread(NULL,0,proceducers,NULL,0,NULL);//產(chǎn)生一個生產(chǎn)者進(jìn)程 while(full!='y'){ Sleep(random);//產(chǎn)品隨機(jī)進(jìn)入 hThread1=::CreateThread(NULL,0,consum,NULL,a,NULL);cout< { cout<<“已經(jīng)為”< else;} if(full=='y'){ cout<<“********對不起，緩沖區(qū)已滿********”< } 六、運行結(jié)果截圖 緩沖區(qū)空位總數(shù)目為1時運行結(jié)果截圖： 緩沖區(qū)空位總數(shù)目為0和3時運行結(jié)果截圖（其余部分如上當(dāng)緩沖區(qū)空位總數(shù)目為1時的截圖） 七、參考文獻(xiàn) 1、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)原理與應(yīng)用 孔憲軍 呂濱（本學(xué)期教科書） 2、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)課程設(shè)計計劃書 陳衛(wèi)老師 3、C程序設(shè)計（第三版）譚浩強(qiáng) 八、實驗總結(jié) 剛剛看到課程設(shè)計的內(nèi)容與要求時，不禁有點無從下手的感覺。經(jīng)過一番思考后，才決定選擇設(shè)計“進(jìn)程機(jī)制與并發(fā)程序設(shè)計——linux下生產(chǎn)者與消費者的問題實現(xiàn)”這部分。設(shè)計這部分不僅僅需要用到C/C++編程，還需要編寫相關(guān)的PV原語。由于自己的PV原語部分和C/C++編程學(xué)的不是很好，因此對我來說有點難。于是我就積極利用書本上的知識來編寫PV原語，C/C++編程是參考書上的指點以及網(wǎng)絡(luò)資源編寫出來的。不懂得地方查資料、上網(wǎng)找、問問其他同學(xué)，最后終于慢慢的把課程設(shè)計做出來了。通過這次課程設(shè)計，才感覺到自己還是平時動手少，要經(jīng)常動手去做實驗才能真正學(xué)到東西。尤其是一些C/C++編程和PV原語的編寫更需要平時多加練習(xí)才能學(xué)好用好。特別是C/C++編程在遇到語法有多處錯誤時，不能急，要冷靜下來慢慢修改，知道程序正確。雖然是自己獨立做的課程設(shè)計，但是其中還是有很多不懂的東西是問同學(xué)的，因此了解到學(xué)習(xí)不是單獨的，應(yīng)該是相互交流相互學(xué)習(xí)的。第二篇：操作系統(tǒng)實驗報告經(jīng)典生產(chǎn)者—消費者問題
第三篇：實驗報告五 生產(chǎn)者和消費者問題
第四篇：操作系統(tǒng)課程設(shè)計生產(chǎn)者消費者
第五篇：生產(chǎn)者與消費者的問題-----操作系統(tǒng)課程設(shè)計
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