多線程實現(xiàn)生產(chǎn)者消費者

1、嵌入式Linux編程課程設(shè)計題目：多線程實現(xiàn)生產(chǎn)者消費者之間的通信班 級： 計算機應(yīng)用xxxx班 學(xué) 號： 12號 姓 名： xx 指導(dǎo)教師： xxx 日 期： 2014.6.232014.6.27 目 錄13一、課程設(shè)計說明1二、概要設(shè)計1三、模塊設(shè)計2四、詳細(xì)設(shè)計4五、程序調(diào)試6六、總結(jié)8七、參考文獻9八、附錄10一、課程設(shè)計說明生產(chǎn)者-消費者（producer-consumer）問題，也稱作有界緩沖區(qū)（bounded-buffer）問題，兩個進程共享一個公共的固定大小的緩沖區(qū)。其中一個是生產(chǎn)者，用于將消息放入緩沖區(qū)；另外一個是消費者，用于從緩沖區(qū)中取出消息。問題出現(xiàn)在當(dāng)緩沖區(qū)已經(jīng)滿了，而

2、此時生產(chǎn)者還想向其中放入一個新的數(shù)據(jù)項的情形，其解決方法是讓生產(chǎn)者此時進行休眠，等待消費者從緩沖區(qū)中取走了一個或者多個數(shù)據(jù)后再去喚醒它。同樣地，當(dāng)緩沖區(qū)已經(jīng)空了，而消費者還想去取消息，此時也可以讓消費者進行休眠，等待生產(chǎn)者放入一個或者多個數(shù)據(jù)時再喚醒它。本次課設(shè)通過研究Linux的進程機制和信號量實現(xiàn)生產(chǎn)者消費者問題的并發(fā)控制。二、概要設(shè)計本作業(yè)是完善課件上的線程綜合實例的練習(xí)生產(chǎn)者-消費者問題，重構(gòu)這個程序的框架，完成性能分析，使之進一步理解掌握Linux下線程的同步、通信以及互斥和多線程的安全問題。一般情況下，解決互斥方法常用信號量和互斥鎖，即semaphore和mutex，而解決這個問題

3、，多采用一個類似資源槽的結(jié)構(gòu)，每個槽位標(biāo)示了指向資源的指針以及該槽位的狀態(tài)，生產(chǎn)者和消費者互斥查詢資源槽，判斷是否有產(chǎn)品或者有空位可以生產(chǎn)，然后根據(jù)指針進行相應(yīng)的操作。同時，為了告訴生產(chǎn)者或者消費者資源槽的情況，還要有一個消息傳送機制，無論是管道還是線程通信。然而，本次試驗有幾個特殊的要求：1、循環(huán)緩沖。2、除了stderr,stdout等外，只用小于2個的互斥鎖、3、放棄資源槽分配機制，采用額外的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。4、生產(chǎn)者一直持續(xù)生產(chǎn)，形成生產(chǎn)消費的良性循環(huán)。首先，使用一個互斥鎖，意味著資源槽機制就不能使用了。因為資源槽雖以用一個互斥鎖完成，但是需要有額外的通信，如果使用管道通信，則管道也必須是互

4、斥，這就不滿足1個互斥鎖的要求。其次，要求生產(chǎn)者一直生產(chǎn)，這就否定了另外一種方法：消費者、生產(chǎn)者的位置均平等，消費者消費的時候生產(chǎn)者不能生產(chǎn)，生產(chǎn)者生產(chǎn)的時候消費者不能消費。因此，就需要采用A要求，也就是循環(huán)鏈表的形式。為了保證互斥要求，需要定義一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含兩個指針，一個讀一個寫，同時有一個資源數(shù)目量，告訴生產(chǎn)者和消費者是否可以生產(chǎn)或者消費。由于該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很小，因而可以對此結(jié)構(gòu)互斥訪問。同時，對于每組數(shù)據(jù)，都有一個標(biāo)志位，表示此組數(shù)據(jù)是否被占用，生產(chǎn)者和消費者均可以先占用此位置然后完成相應(yīng)的操作。當(dāng)消費者互斥訪問此結(jié)構(gòu)時，首先判斷是否有數(shù)據(jù)可以取，如果沒有，直接等待，若有數(shù)據(jù)

5、可取，先更改標(biāo)志位占用此數(shù)據(jù)，并將資源數(shù)目-1。然后交出互斥，把數(shù)據(jù)拷貝到自己緩沖區(qū)內(nèi)，清空數(shù)據(jù)。當(dāng)生產(chǎn)者訪問時，首先判斷有沒有空位可以生產(chǎn)，如果沒有，直接等待，若有數(shù)據(jù)可以生產(chǎn)，先判斷該位是否被占用，如果沒被占用，則占用此位置進行生產(chǎn)。生產(chǎn)完成后，將占用位改為未占用，同時將資源數(shù)目+1。三、模塊設(shè)計采用信號量來解決n個進程的臨界區(qū)問題，這n個進程共享一個信號量mutex(mutual exclusion)，并初始化為1。利用p ,v原語操作結(jié)合信號量實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者進程對緩沖區(qū)的互斥訪問。3.1 生產(chǎn)者進程 if(fork() = 0 ) int i = 0; while( i 100)

6、semop(emptyid , &P ,1 );semop(mutxid , &P , 1);array*(set)%MAXSEM = i + 1; printf(Producer %dn, array(*set)%MAXSEM); (*set)+; semop(mutxid , &V , 1); semop(fullid , &V , 1); i+; /end of while in line 62 sleep(10); printf(Producer is over); exit(0);圖 3-1 3.2 消費者進程/消費者A進程 if(fork()=0) while(1) semop(f

7、ullid , &P , 1); semop(mutxid , &P , 1); if(*get = 100) break; *sum+= array(*get)%MAXSEM;printf(The ComsumerA Get Number %dn, array(*get)%MAXSEM ); (*get)+; if( *get =100) printf(The sum is %d n , *sum); semop(mutxid , &V , 1); semop(emptyid , &V ,1 );圖 3-2 sleep(1); /end of while(1) in line 82 prin

8、tf(ConsumerA is over); exit(0);/end of if in line 81else /消費者B進程 if(fork()=0) while(1) semop(fullid , &P , 1); semop(mutxid , &P , 1); if(*get = 100) break; *sum += array(*get)%MAXSEM; printf(The ComsumerB Get Number %dn, array(*get)%MAXSEM ); (*get)+; if( *get =100) printf(The sum is %d n , *sum);

9、semop(mutxid , &V , 1); semop(emptyid , &V ,1 ); sleep(1); /end of while(1) in line105 printf(ConsumerB is over); exit(0); /end of if in line 103 /end of else in line 101 四、詳細(xì)設(shè)計一、 主函數(shù)圖 4-1二、統(tǒng)計線程圖 4-2三、生產(chǎn)者線程圖 4-3四、消費者線程圖 4-4五、程序調(diào)試5.1 調(diào)試記錄有三個warning：圖 5-1-1圖 5-1-2圖 5-1-35.2 運行結(jié)果圖 5-2-1圖5-2-2六、總結(jié)在這次的課程

10、設(shè)計中，我遇到了很大的困難，對一些概念很不理解，不過通過和同學(xué)交流又上網(wǎng)查閱資料很好的解決了問題，讓我在這個過程中學(xué)到很多東西，也進一步理解操作系統(tǒng)的概念，同時對Linux編程也有了更多的學(xué)習(xí)。這個課程設(shè)計并不是很完美，但是起碼能讓我們很好的理解了什么是生產(chǎn)者消費者問題。讓我對互斥問題有了更深的見解，同時也認(rèn)識的到自己很大的不足，在以后的學(xué)習(xí)中會加以克服，增強自己的問題分析能力和動手實踐能力。雖然實驗以前我已經(jīng)對信號量機制解決進程間同步問題的原理有了很清楚的認(rèn)識，但是此次課程設(shè)計中仍然遇到了很多問題，如Linux系統(tǒng)下各種系統(tǒng)調(diào)用以及函數(shù)的各種參數(shù)，都花費了我很多時間去網(wǎng)上看各種資料雖然Lin

11、ux系統(tǒng)中可以很方便的閱讀源代碼以及使用man命令進行相應(yīng)指令的查看，但是全英文的資料讓人看了不免有些發(fā)怵，看來還要多多加強計算機專業(yè)英語的學(xué)習(xí)，以后便可以在Linux系統(tǒng)中查看各種幫助文件。另一個問題就是在編譯的時候遇到的，剛開始用gcc o main main.c 進行編譯的時候總是提示出錯，后來查了相關(guān)資料才知道pthread 庫不是 Linux 系統(tǒng)默認(rèn)的庫，連接時需要使用靜態(tài)庫 libpthread.a，所以在使用pthread_create()等函數(shù)時，需要鏈接該庫才能編譯通過。以前再用Windows IDE進行編程的時候基本上不會遇到這樣的問題，看來的確IDE為我們做了很多工作，

12、隱藏了一些技術(shù)細(xì)節(jié)，有時候隱藏這些細(xì)節(jié)雖然可以方便我們，卻讓我們離真相越來越遠。最近使用Linux進行相關(guān)的編程操作，感悟還是挺多的。Windows下的層層封裝的確讓我們感到很方便，但同時也讓我們編程變得越來越不靈活。因為我們不用再去了解底層的東西因此一遇到問題就會束手無策。這段時間一直用Linux進行編程，感覺很方便，跟我以前想象地完全不一樣，而且我掌握了不少命令，比我以前用鼠標(biāo)操作的時候快多了，而且在Bash下可以用Ctrl+Z隨時中止正在運行的進程或命令，再用fg %id 重新運行。Linux下的編程也很方便，我還了解了Makefile的編寫方法，在多文件編程的時候可以極高地提高效率。

13、總之，我之后會加強專業(yè)英語的學(xué)習(xí)，以便更好的利用Linux操作系統(tǒng)進行編程之路的學(xué)習(xí)。七、參考文獻1Operating System Concepts(Sixth Edition)（操作系統(tǒng)概念）影印版 Abraham Silberschatz編 高等教育出版社 2003年2 操作系統(tǒng) 羅宇 鄒鵬 吳剛 等編著 電子工業(yè)出版社 2006年2計算機操作系統(tǒng)教程(第三版) 張堯?qū)W編 清華大學(xué)出版社 2001年3 計算機操作系統(tǒng) 第三版 湯曉丹 梁紅兵 哲鳳屛 湯子瀛 編著西安電子科技大學(xué)出版社 2009年4 操作系統(tǒng)原理(第三版) 龐麗萍 華中科技大學(xué)出版社2000年八、附錄#include #i

14、nclude #include #include #include #include #include #include #define MAXSEM 5/聲明三個信號燈IDint fullid;int emptyid;int mutxid;int main() struct sembuf P,V; union semun arg; /聲明共享內(nèi)存 int *array; int *sum; int *set; int *get; /映射共享內(nèi)存array=(int*)mmap(NULL,sizeof( int )*5,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_A

15、NONYMOUS,-1,0); sum=(int*)mmap(NULL, zeof( int ),PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,-1,0); get=(int*)mmap(NULL,sizeof( int ),PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHAR ED|MAP_ANONYMOUS,-1,0); set=(int*)mmap(NULL,sizeof( int ),PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHAR ED|MAP_ANONYMOUS,-1,0); *sum = 0; *get = 0; *s

16、et = 0; /生成信號燈 fullid= semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|00666); emptyid=semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|00666); mutxid=semget(IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|00666); /為信號燈賦值 arg.val = 0; if(semctl(fullid , 0 , SETVAL , arg) = -1) perror(semctl setval error); arg.val = MAXSEM; if(semctl(emptyid , 0 ,SETVAL , ar

17、g) = -1)perror(semctl setval error); arg.val = 1; if(semctl(mutxid , 0 ,SETVAL , arg) = -1) perror(setctl setval error); /初始化P,V操作 V.sem_num=0; V.sem_op =1; V.sem_flg=SEM_UNDO; P.sem_num=0; P.sem_op =-1; P.sem_flg=SEM_UNDO; /生產(chǎn)者進程 if(fork() = 0 ) int i = 0; while( i 100) semop( id , &P ,1 ); semop(m

18、utxid , &P , 1); array*(set)%MAXSEM = i + 1; printf(Producer %dn, array(*set)%MAXSEM); (*set)+; semop(mutxid , &V , 1); semop(fullid , &V , 1); i+; sleep(10); printf(Producer is over); exit(0); else /消費者A進程 if(fork()=0) while(1) semop(fullid , &P , 1); semop(mutxid , &P , 1); if(*get = 100) break; *

19、sum += array(*get)%MAXSEM; printf(The ComsumerA Get Number %dn, array(*get)%MAXSEM ); (*get)+; if( *get =100) printf(The sum is %d n , *sum); semop(mutxid , &V , 1); semop(emptyid , &V ,1 ); sleep(1); printf(ConsumerA is over); exit(0);else /消費者B進程 if(fork()=0) while(1) semop(fullid , &P , 1); semop