燕山大學(xué)操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書

1、課題負(fù)責(zé)人： 學(xué)院： 信息科學(xué)與工程學(xué)院班級：姓名： 學(xué)號： 課題開發(fā)日期：2014年1月13日自評成績：A目錄 3333441概述1.1 目的1.2主要完成的任務(wù)1.3使用的開發(fā)工具、開發(fā)語言1.4本軟件解決的主要問題2設(shè)計(jì)的基本理念、概念和原理2.1 設(shè)計(jì)的基本理念 42.2基本概念42.3基本原理53總體設(shè)計(jì)53.1基本的技術(shù)路線：面向?qū)ο?53.2模塊關(guān)系及總體流程54詳細(xì)設(shè)計(jì)74.1變量設(shè)計(jì)74.2線程的設(shè)計(jì)74.3 butt on 按鈕的設(shè)計(jì)85編碼設(shè)計(jì)95.1開發(fā)環(huán)境95.2注意事項(xiàng)95.3主要代碼設(shè)計(jì)9PUTTER程的設(shè)計(jì) 9MOVER線程的設(shè)計(jì)10GETTER線程的設(shè)計(jì)11“

2、開始”按鈕的設(shè)計(jì)12“結(jié)束”按鈕的設(shè)計(jì)145.4解決的主要難題166測試出現(xiàn)的問題及其解決方案 167工程總結(jié)168參考文獻(xiàn)16多道程序緩沖區(qū)協(xié)調(diào)操作演示程序設(shè)計(jì)說明書1概述1.1目的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最不可缺少的， 最常用的軟件，也是核心的, 最接近于計(jì)算機(jī)硬件的軟件。其特點(diǎn)是內(nèi)容繁多，概念抽象，因此造成理解困難, 掌握不易。本軟件的主要目的是通過直觀的演示， 使學(xué)生能夠感性的明白掌握多 道程序及其進(jìn)程同步和互斥的程序設(shè)計(jì)的基本方法。1.2主要完成的任務(wù)(1) 可隨機(jī)產(chǎn)生字符數(shù)據(jù)，由生產(chǎn)者的 put操作不斷將生產(chǎn)的字符數(shù)據(jù)放入 容器 1( Buffer1 )中。(2) 通過搬運(yùn)者的

3、Move1操作要不斷地將容器1( Buffer1 )的數(shù)據(jù)取到容器 2(Buffer2 )中。(3) 通過搬運(yùn)者的Move2操作要不斷地將容器1( Buffer1 )的數(shù)據(jù)取到容器 3(Buffer3 )中。(4) 通過消費(fèi)者1的GET操作不斷的從容器2( buffer2 )中取出數(shù)據(jù)(5) 通過消費(fèi)者2的GET操作不斷地從容器3( Buffer3 )中取出數(shù)據(jù)。(6) 生產(chǎn)者，搬運(yùn)者，消費(fèi)者的數(shù)目，buffer容量可自己設(shè)定，但數(shù)目不宜 過多；默認(rèn)為生產(chǎn)者5,消費(fèi)者1為5,消費(fèi)者2為5, Move1為2，Move2為2, buffer1 容量為 10, buffer2 容量為 10, buf

4、fer3 容量為 10。(7) PUT、Move1、Move2 GET1, GET2每次操作一個(gè)數(shù)據(jù)，在操作的過程 中數(shù)據(jù)不丟失,每個(gè)Buffer每次只能接受一個(gè)PUT或一個(gè)Move或一個(gè)Get，多 個(gè)操作不能同時(shí)操作同一 BUFFER(8) 能夠?qū)崟r(shí)顯示Buffer的操作過程，以及每個(gè)Buffer的當(dāng)前放入的數(shù)據(jù)， 每個(gè)buffer中的數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。(9) 能夠?qū)ιa(chǎn)者，搬運(yùn)者，消費(fèi)者的速度進(jìn)行自由控制。(10) 當(dāng)程序運(yùn)行開始后，計(jì)時(shí)器就開始計(jì)時(shí)，直到運(yùn)行結(jié)束，顯示運(yùn)行的總 時(shí)間。(11) 運(yùn)行結(jié)束后，能夠匯總總運(yùn)行時(shí)時(shí)間、已生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)、消費(fèi)者 1已消費(fèi) 產(chǎn)品數(shù)、消費(fèi)者2已消費(fèi)的產(chǎn)品數(shù)、總消

5、費(fèi)的產(chǎn)品數(shù)。1.3使用的開發(fā)工具、開發(fā)語言開發(fā)工具：VS2010開發(fā)語言：C+C+是面向?qū)ο蟮囊环N編程語言，窗口程序設(shè)計(jì)中MFC已經(jīng)將windows最底層的API函數(shù)以類的形式封裝好，使用方便。其特點(diǎn)有：1.面向?qū)ο螅?. 平臺(tái)無關(guān)性；3. 安全性；4. 健壯性；1.4本軟件解決的主要問題對Buffer操作的多線程同步問題，利用操作系統(tǒng)的 P、V原語操作和C+語 言的Thread線程對put、move get等多線程進(jìn)行協(xié)調(diào)處理，實(shí)現(xiàn)了多線程并發(fā) 執(zhí)行的原理。用程序演示了操作系統(tǒng)中經(jīng)典的生產(chǎn)者和消費(fèi)者問題。2設(shè)計(jì)的基本理念、概念和原理2.1設(shè)計(jì)的基本理念使用VS2010創(chuàng)建了一個(gè)基本對話框類，

6、并在對話框中添加了基本需要的所 有控件：（1） buffer1 ,buffer2 ,buffer3 三個(gè) LISTBOX空件，用于顯示各個(gè) buffer中的當(dāng)前內(nèi)容。（2）添加了 3個(gè)編輯框控件，分別用于對 3個(gè)容器（buffer ）容量的控制。（3）添加1個(gè)編輯框控件用于輸入數(shù)值確定線程執(zhí)行速度。（4）添加5個(gè)編輯框控件，用于對生產(chǎn)者，移動(dòng)物流，消費(fèi)者數(shù)量的控制。五個(gè)線程用于對buffer容器的控制（PUTTER MOVER 1MOVER2GETTER， GETTER2（1）PUTTER線程產(chǎn)生隨機(jī)字符，并放入 buffer1中，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者的 生產(chǎn)過程。（2）MOVER1，MOVER線程分別

7、將buffer1中的數(shù)據(jù)移動(dòng)至 buffer2 和 buffer3 中。（3）GETTER1，GETTER線程分別將buffer2 和buffer3 中的數(shù)據(jù)字 符移出，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者的消費(fèi)過程。多個(gè)變量分別統(tǒng)計(jì)需要顯示的數(shù)據(jù)：（1）三個(gè)變量分別統(tǒng)計(jì) buffer1 ，buffer2 ， buffer3 中的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示出來。（2）五個(gè)變量進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，顯示最后的運(yùn)行總時(shí)間，生產(chǎn)者生產(chǎn)數(shù)量，消費(fèi)者消費(fèi)數(shù)量。通過MFC的對話框中按鈕實(shí)現(xiàn)對所有線程的控制：（1）“開始”按鈕：開始所有線程，實(shí)現(xiàn)多線程程序同步。（2）“結(jié)束”按鈕：結(jié)束所有線程，并顯示數(shù)據(jù)匯總情況。2.2基本概念面向?qū)ο?，進(jìn)程，線程，線

8、程的同步，線程的互斥，多道程序。2.3基本原理經(jīng)典的生產(chǎn)者與消費(fèi)者同步原理，通過互斥體和互斥信號來實(shí)現(xiàn)線程的等 待，線程間的同步問題，線程之間的協(xié)調(diào)的問題。3. 總體設(shè)計(jì)3.1基本的技術(shù)路線：面向?qū)ο筮\(yùn)用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)所要求的PUTTER，MOVER1， M0VER2,GETTER1，GETTER2五個(gè)線程，達(dá)到信號量的控制，變量的值確定， 實(shí)現(xiàn)BUFFER 一次只能操作一個(gè)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)線程的同步，阻塞以及他們之間的 協(xié)調(diào)問題。3.2模塊關(guān)系及總體流程PUTTER 線程：生產(chǎn)者：執(zhí)行 put操作M0VER1 線程： 搬運(yùn)者1 :執(zhí)行move1操作Pea對話框類：主界面設(shè)計(jì)、 顯示數(shù)據(jù)、

9、過程演MOVER2 線程： 搬運(yùn)者2 :執(zhí)行move2操作示GETTER1 線程：消費(fèi)者1：執(zhí)行g(shù)et操作GETTER2 線程：消費(fèi)者2：執(zhí)行g(shù)et操作圖1模塊關(guān)系圖2.總體流程4. 詳細(xì)設(shè)計(jì)4.1變量設(shè)計(jì)g_hMutex1, g_hMutex2, g_hMutex3:三個(gè)互斥體，分別控制一次只能對 buffer實(shí)現(xiàn)一次操作。g_hFullltems1 ，g_hFullltems2 ，g_hFullltems3 g_hEmptyltems1 ，g_hEmptyltems2，g_hEmptyltems3:六個(gè)信號量，分別控制buffer中是否有空閑空間以及是否有數(shù)據(jù)可供移動(dòng)，并進(jìn)行互斥操作。cl

10、ock_t類型的start,finish 變量，通過調(diào)用clock ()函數(shù)得到線程運(yùn)行 的總時(shí)間。struct PThreadint ptid;CpacDlg * dlg;定義線程的結(jié)構(gòu)體，用于線程通過結(jié)構(gòu)體參數(shù)調(diào)用窗口類，從而實(shí)現(xiàn)線程對窗口的控制。SlZE_1 , SIZE_2 , SIZE_3 :編輯框控件添加的變量，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài) 對容器buffer容量的控制。SPEED :控件添加的變量，實(shí)現(xiàn)對線程速度的控制。Produce_Num ,Con sumer1_Num ,Co nsumer2_Num ,Move1_Num ,Move2_Num 控件添加的變量，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)者，消費(fèi)者，物流移動(dòng)

11、數(shù)量的控制。Con1_Num ,Pro_Num ,Con2_Num ,Con_Num :控件添加的變量，實(shí)現(xiàn)最終的 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總顯示。Buffer1 ， buffer2 ，buffer3 : ListBox控件添加的控制變量，用于顯示各 個(gè)buffer中的字符數(shù)據(jù)內(nèi)容。4.2線程的設(shè)計(jì)PUTTER線程產(chǎn)生隨機(jī)字符，并放入buffer1中，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者的生產(chǎn)過程。DWORD WlNAPl PUTTER(LPVOID para)/PUT 線程其參數(shù)為LPVOlD para，在創(chuàng)建線程時(shí)通過P_hThreadsi =CreateThread(NULL,0,PUTTER,(LPVOID)&pthread

12、O,O,&putlDi);語句，第四個(gè)參數(shù)傳遞了結(jié)構(gòu)體參數(shù)，將當(dāng)前對話框窗口類指針傳遞給線程函 數(shù)，通過PThread * pthread = (PThread *)para;/ 規(guī)范化參數(shù)CpacDlg * dlg = pthread-dlg;語句來實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前對話框窗口中所有參數(shù)的調(diào)用。M0VER,1 M0VER2GETTER1 GETTERS程與 PUTTE線程類似4.3 button按鈕的設(shè)計(jì)“開始”按鈕：創(chuàng)建每個(gè)互斥體，互斥信號以及線程。void CpacDlg:OnBnClickedButton1()/ TODO:在此添加控件通知處理程序代碼buff1互斥鎖buff1信號量Updat

13、eData;g_hMutex1 = :CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); g_hFullltems1 = :CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_1,NULL); g_hEmptyltems1 = :CreateSemaphore(NULL,SIZE_1,SIZE_1,NULL);ooooooooooo o o o/創(chuàng)建PU線程for ( int i=O;iProduce_Num;+i)pthreadO.dlg = this ;pthreadO.ptid = i;P_hThreadsi=CreateThread(NULL,O,PUTTER,(LPVOI

14、D )&pthreadO,O,&putlDi);/if (P_hThreadsi = NULL) MessageBox(TEXT(線程創(chuàng)建錯(cuò)誤！)；oooooooooooooooooo“結(jié)束”按鈕：結(jié)束每一個(gè)線程，并進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總顯示到對話框上。void CpacDlg:OnBnClickedButton2()/ TODO:在此添加控件通知處理程序代碼/UpdateData(1);DWORD KP_Thread10;for (int i=0;idlg;int i = pthread-ptid;int j=dIg-SPEED;int speed = 1000*j;LARGE_INTEGER nFr

15、equency/設(shè)置隨機(jī)數(shù)的種子if (:QueryPerformanceFrequency(&nFrequency)/如果支持高性能精度計(jì)數(shù)器，則使用其初始化隨機(jī)種子(微秒級)LARGE_INTEGER n StartCou nter;:QueryPerforma nceCou nter(&n StartCou nter);:srand(unsigned )nStartCounter.LowPart);else /否則使用當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間初始化隨機(jī)種子 (毫秒級):srand(unsigned )time(NULL);while (true )CStri ng buf;WaitForS in g

16、leObject(g_hEmptyltems1,INFINITE);WaitForSi ngleObject(g_hMutex1,INFINITE);/進(jìn)行P操作/產(chǎn)生隨機(jī)字符(A-Z)char ch;ch = char ( (ra nd() % 26) + 65 ); buf.Format(_T( put-%c ),ch);dlg-buffer1.I nsertStri ng(0,buf);dlg-Pro_Num+;int buflc;數(shù)量CStri ng str;buflc = dlg-buffer1.GetCou nt();str.Format(_T( %d 個(gè)),buf1c);dlg-

17、Buffer_C.SetWi ndowTextW(str);數(shù)量/確定生產(chǎn)總數(shù)量/確定當(dāng)前bufferl中的產(chǎn)品/在窗口中顯示當(dāng)前bufferl的數(shù)據(jù):Sleep(speed);ReleaseMutex(g_hMutex1);ReleaseSemaphore(g_hFullltems1,1,NULL);/速度設(shè)置/進(jìn)行V操作return 0;MOVER線程的設(shè)計(jì)：DWORD WINAPI MOVER1(LPVOID para)PThread * pthread = (PThread *) para;CpacDlg * dlg = pthread-dlg;int i = pthread-ptid

18、;int j=(dlg-SPEED);int speed =1000*j;while (true )/MOVE1線程/規(guī)范化參數(shù)WaitForS in gleObject(g_hFullltems1,INFINITE); WaitForS in gleObject(g_hEmptyltems2,INFINITE);WaitForSi ngleObject(g_hMutex1,INFINITE);WaitForSi ngleObject(g_hMutex2,INFINITE);/將buffer1中的數(shù)據(jù)移至buffer2中CStri ng cs;int n;n = dlg-buffer1.Get

19、Cou nt(); dlg-buffer1.GetText (n-1,cs); dlg-buffer1.DeleteStr in g( n-1);CStri ng cc;cc.Format(_T( move1-);/進(jìn)行P操作cs = cc + cs;dlg-buffer2.I nsertStri ng(0,cs);int buf1c;CStri ng str;buf1c = dlg-buffer1.GetCou nt(); str.Format(_T(%c個(gè) ),buf1c);dlg-Buffer_C.SetWi ndowTextW(str);int buf2c;CStri ng strl;

20、buf2c = dlg-buffer2.GetCou nt(); str1.Format(_T(%d個(gè) ),buf2c);dlg-Buf_C1.SetWi ndowTextW(strl);/確定當(dāng)前bufferl/顯示當(dāng)前bufferl/確定當(dāng)前buffer2/顯示當(dāng)前buffer2中的產(chǎn)品數(shù)量中的產(chǎn)品數(shù)量中的產(chǎn)品數(shù)量中的產(chǎn)品數(shù)量:Sleep(speed);/設(shè)置速度ReleaseMutex(g_hMutex2);/ 進(jìn)行V操作ReleaseMutex(g_hMutex1);ReleaseSemaphore(g_hFullltems2,1,NULL);ReleaseSemaphore(g_hE

21、mptyltems1,1,NULL);return 0;GETTER1線程的設(shè)計(jì)：DWORD WINAPI GETTER1(LPVOID para) PThread * pthread = (PThread *)para;CpacDlg * dlg = pthread-dlg;int i = pthread-ptid;/GET1線程/規(guī)范化參數(shù)int buf2c;CStri ng str1;buf2c = dlg-buffer2.GetCou nt(); str1.Format(_T(%c個(gè) ),buf2c);dlg-Buf_C1.SetWi ndowTextW(str1);/確定當(dāng)前buff

22、er2中的產(chǎn)品數(shù)量int j=(dlg-SPEED);int speed =1000*j ;while (true )WaitForSingleObject(g_hFullltems2,INFINITE);/ 進(jìn)行 P操作WaitForSi ngleObject(g_hMutex2,INFINITE);/移岀buffer2中的數(shù)據(jù)CStri ng cs;int n;n = dlg-buffer2.GetCou nt(); dlg-buffer2.GetText (n-1,cs); dlg-buffer2.DeleteStri ng(n-1);/消費(fèi)者1消費(fèi)的產(chǎn)品數(shù)量加1dlg-Co n1_Nu

23、m = dlg-Co n1_Num + 1;:Sleep(speed);/ 設(shè)置速度ReleaseMutex(g_hMutex2);/ 進(jìn)行V操作ReleaseSemaphore(g_hEmptyltems2,1,NULL);return 0;“開始”按鈕的設(shè)計(jì)：void CpacDlg:OnBnClickedButton1()/ TODO:在此添加控件通知處理程序代碼UpdateData;buff1互斥鎖buff1信號量g_hMutex1 = :CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);g_hFullltems1 = :CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_

24、1,NULL);g_hEmptyltems1 = :CreateSemaphore(NULL,SIZE_1,SIZE_1,NULL);g_hMutex2 = :CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);g_hFullltems2 = :CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_2,NULL);buff2 互斥鎖g_hEmptyltems2 = :CreateSemaphore(NULL,SIZE_2,SIZE_2,NULL);g_hMutex3 = :CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);g_hFullltems3 = :CreateSemap

25、hore(NULL,0,SIZE_3,NULL);buff3 互斥鎖g_hEmptyltems3 = :CreateSemaphore(NULL,SIZE_3,SIZE_3,NULL);start = clock();/獲得線程開始時(shí)間/創(chuàng)建PU線程for ( int i=0;iProduce_Num;+i)pthreadO.dlg = this ; pthreadO.ptid = i;P_hThreadsi=CreateThread(NULL,0,PUTTER,(LPVOID )&pthread0,0,&putlDi);/if (P_hThreadsi = NULL) MessageBox(

26、TEXT(線程創(chuàng)建錯(cuò)誤！)；/倉【J建MOVE和MOVE線程for (int j=0;jMove1_Num;+j)pthread1.dlg = this ; pthread1.ptid = j;M1_hThreadsj=CreateThread(NULL,0,MOVER1,(LPVOID )&pthread1,0,&move1IDj);if (M1_hThreadsj = NULL) MessageBox(TEXT(線程創(chuàng)建錯(cuò)誤！); for (int k=0;kMove2_Num;+k)pthread2.dlg = this ;pthread2.ptid = k;M2_hThreadsk=C

27、reateThread(NULL,0,MOVER2,(LPVOID)&pthread2,0,&move2IDk);if (M2_hThreadsk = NULL) MessageBox(TEXT(線程創(chuàng)建錯(cuò)誤！);/創(chuàng)建GET和GET線程for ( int m=0;mConsumer1_Num;+m)pthread3.dlg = this ; pthread3.ptid = m;C1_hThreadsm =CreateThread(NULL,0,GETTER1,(LPVOID )&pthread3,0, &get1IDm);if (C1_hThreadsm = NULL) MessageBox

28、(TEXT(線程創(chuàng)建錯(cuò)誤！); for ( int n=0;nConsumer2_Num;+n)pthread4.dlg = this ;pthread4.ptid = n;C2_hThreads n =CreateThread(NULL,0,GETTER2,(LPVOID)&pthread4,0, &get2ID n);if (C2_hThreadsn = NULL) MessageBox(TEXT(線程創(chuàng)建錯(cuò)誤！);“結(jié)束”按鈕的設(shè)計(jì)：void CpacDlg:OnBnClickedButton2()/ TODO:在此添加控件通知處理程序代碼UpdateData(1);DWORD KP_T

29、hread10;for (int i=0;iProduce_Num;i+)GetExitCodeThread(P_hThreadsi,&KP_Threadi);TerminateThread(P_hThreadsi,KP_Threadi);/ 結(jié)束線程ExitThread(KP_Threadi);DWORD KM1_Thread1;for (int i=0;iMove1_Num;i+)GetExitCodeThread(M1_hThreadsi,&KM1_Threadi);Termi nateThread(M1_hThreadsi,KM1_Threadi); ExitThread(KM1_Th

30、readi);DWORD KM2_Thread1;for (int i=0;iMove2_Num;i+)GetExitCodeThread(M2_hThreadsi,&KM2_Threadi);Termi nateThread(M2_hThreadsi,KM2_Threadi); ExitThread(KM2_Threadi);DWORD KC1_Thread10;for (int i=0;iConsumer1_Num;i+)GetExitCodeThread(C1_hThreadsi,&KC1_Threadi);Termi nateThread(C1_hThreadsi,KC1_Thread

31、i);DWORD KC2_Thread10;for (int i=0;iConsumer2_Num;i+)Termi nateThread(C1_hThreadsi,KC2_Threadi);double durati on;finish = clock();duration = double (fi nish - start)/ CLOCKS_PER_SEC);CStri ng str4;str4.Format(_T( %2.4f 秒),duration);CLOCK.SetWi ndowTextW(str4);CStri ng str;str.Format(_T( %d個(gè) ),Pro_Num);Pro_NUM.SetWi ndowTextW(str);CStri ng str1;str1.Format(_T( %d個(gè) ),Co n1_Num);Con 1_NUM.SetWi ndowTextW(str1);CStri ng str2;str2.Format(_T(