生產(chǎn)者消費者問題設(shè)計與實現(xiàn)

1、操 作系統(tǒng)課 程設(shè)計任務(wù)書學(xué)院計算機與信息工程專業(yè)計算機科學(xué)與技術(shù)課程名稱操作系統(tǒng)題目生產(chǎn)者消費者問題設(shè)計與實現(xiàn)完成期限自2015年6月23日至2015年6月29日共1周內(nèi)容及任務(wù)一、項目的目的1. 理生產(chǎn)者消費者問題基本概念和工作原理，以及實現(xiàn)技術(shù)；2. 理解并掌握生產(chǎn)者消費者問題相關(guān)算法，以及它的實現(xiàn)方法；3. 掌握在eclipse環(huán)境下，系統(tǒng)開發(fā)的基本步驟和方法；4. 掌握在eclipse環(huán)境下，設(shè)計和開發(fā)一個簡單的生產(chǎn)者消費者問題系 統(tǒng)來模擬操作系統(tǒng)中生產(chǎn)者消費者問題。二、項目任務(wù)的主要內(nèi)容和要求1. 精讀并理解和掌握生產(chǎn)者消費者問題；2. 編寫程序來模擬生產(chǎn)者消費者問題的實現(xiàn)；3.

2、編寫應(yīng)用程序測試生產(chǎn)者消費者問題，并顯示結(jié)果。三、項目設(shè)計（研究）思路本課程設(shè)計的基本思路是，首先理解和掌握生產(chǎn)者消費者問題的基 本思想和原理，然后根據(jù)理解的基本思想和原理編程實現(xiàn)生產(chǎn)者消費者 問題，最后通過數(shù)據(jù)分析生產(chǎn)者消費者問題。四、具體成果形式和要求成果：生產(chǎn)者消費者問題程序語言實現(xiàn)；設(shè)計說明書。要求：編寫好的生產(chǎn)者消費者問題程序能夠正確啟動運行；設(shè)計說 明書規(guī)范、合理。進(jìn)起止日期工作內(nèi)容度熟悉相關(guān)內(nèi)容安系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)排系統(tǒng)實現(xiàn)和撰寫相關(guān)文檔主 要參考 資 料1計算機操作系統(tǒng)湯子瀛哲鳳屏 湯小丹主編 西安電子科技大學(xué)出 版社2. 計算機操作系統(tǒng)概論陳宏楊忠耀主編重慶郵電大學(xué)出版社.3.

3、計算機操作系統(tǒng)基本知識廖成崔陽主編電子工業(yè)出版社.4操作系統(tǒng)實現(xiàn)與設(shè)計陸剛望能主編電子工業(yè)出版社.5.java程序語言設(shè)計丁振凡主編，薛清華副主編清華大學(xué)出版社 .指導(dǎo)教師意見（簽字）：年 月曰系（教研室）主任意見（簽字）：年 月曰目錄1. 選題背景生產(chǎn)者消費者問題是研究多線程程序時繞不開的經(jīng)典問題之一，它描述是有 一塊緩沖區(qū)作為倉庫，生產(chǎn)者可以將產(chǎn)品放入倉庫，消費者則可以從倉庫中取走 產(chǎn)品。解決生產(chǎn)者/消費者問題的方法可分為兩類：（1）采用某種機制保護生產(chǎn) 者和消費者之間的同步；（2）在生產(chǎn)者和消費者之間建立一個管道。第一種方 式有較高的效率，并且易于實現(xiàn)，代碼的可控制性較好，屬于常用的模式

4、。第二 種管道緩沖區(qū)不易控制，被傳輸數(shù)據(jù)對象不易于封裝等，實用性不強。因此本文只介紹同步機制實現(xiàn)的生產(chǎn)者/消費者問題。同步問題核心在于：如何保證同一資源被多個線程并發(fā)訪問時的完整性。常 用的同步方法是采用信號或加鎖機制，保證資源在任意時刻至多被一個線程訪 問。Java語言在多線程編程上實現(xiàn)了完全對象化，提供了對同步機制的良好支 持。在Java中一共有四種方法支持同步，其中前三個是同步方法，一個是管道 方法。2. 設(shè)計思路.生產(chǎn)者一消費者問題是一種同步問題的抽象描述。計算機系統(tǒng)中的每個進(jìn)程都可以消費或生產(chǎn)某類資源。 當(dāng)系統(tǒng)中某一進(jìn)程使 用某一資源時，可以看作是消耗，且該進(jìn)程稱為消費者。而當(dāng)某個進(jìn)

5、程釋放資源時，則它就相當(dāng)一個生產(chǎn)者3. 過程論述首先，生產(chǎn)者和消費者可能同時進(jìn)入緩沖區(qū)，甚至可能同時讀/寫一個存儲單元，將導(dǎo)致執(zhí)行結(jié)果不確定。這顯然是不允許的。所以，必須使生產(chǎn)者和消費 者互斥進(jìn)入緩沖區(qū)。即某時刻只允許一個實體（生產(chǎn)者或消費者）訪問緩沖區(qū)， 生產(chǎn)者互斥消費者和其他任何生產(chǎn)者。其次，生產(chǎn)者不能向滿的緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)，消費者也不能在空緩沖區(qū)中取數(shù)據(jù)， 即生產(chǎn)者與消費者必須同步。當(dāng)生產(chǎn)者產(chǎn)生出數(shù)據(jù)，需要將其存入緩沖區(qū)之前， 首先檢查緩沖區(qū)中是否有“空”存儲單元，若緩沖區(qū)存儲單元全部用完，則生產(chǎn) 者必須阻塞等待，直到消費者取走一個存儲單元的數(shù)據(jù)，喚醒它。若緩沖區(qū)內(nèi)有 “空”存儲單元，生產(chǎn)者

6、需要判斷此時是否有別的生產(chǎn)者或消費者正在使用緩沖 區(qū)，若是有，則阻塞等待，否則，獲得緩沖區(qū)的使用權(quán)，將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，釋 放緩沖區(qū)的使用權(quán)。消費者取數(shù)據(jù)之前，首先檢查緩沖區(qū)中是否存在裝有數(shù)據(jù)的 存儲單元，若緩沖區(qū)為“空”，則阻塞等待，否則，判斷緩沖區(qū)是否正在被使用，若正被使用，若正被使用，則阻塞等待，否則，獲得緩沖區(qū)的使用權(quán)，進(jìn)入緩沖 區(qū)取數(shù)據(jù)，釋放緩沖區(qū)的使用權(quán)。系統(tǒng)流程圖消費者流程圖：主程序流程圖：roduct = -1;pBuffer i . hasProduct = false ;roduct ; roduct = 0; asProduct = false ; roduct = pro

7、ductNo ; asProduct = true ; roduct +"t" +pBuffer i . hasProduct +"n" ）;/*一個緩沖單元*/class ProductBuffer int product ; 果分析運行主程序得到一個GUI窗口，在文本域中輸出結(jié)果，一共10個緩沖 單元，三個生產(chǎn)者隨機生產(chǎn)產(chǎn)品依次從 0 編號的緩沖區(qū)放入產(chǎn)品，消費者按 照生產(chǎn)的先后順序消費產(chǎn)品。當(dāng)緩沖單元有產(chǎn)品時，狀態(tài)欄顯示 true ，否則顯示 false 。并且當(dāng)消費 者取走產(chǎn)品后，產(chǎn)品編號會變成 0.5. 結(jié)論這次生產(chǎn)者與消費者之間的關(guān)系的實驗我

8、用Java 語言編寫的，用關(guān)鍵字synchronized 來實現(xiàn)多個線程同步， 用繼承 Thread 來將生產(chǎn)者線程與消費者線 程實例化。其實，在做這個實驗之前我的 Java 語言編程老師講過這些知識，正 好可以鞏固Java的一些知識。我還學(xué)過 C+語言，這是大一下學(xué)期學(xué)的事了， 我想要實現(xiàn)書上的P、V操作可以用C+語言來編寫。？總之，通過該實驗我更 加清楚的認(rèn)識到生產(chǎn)者與消費者這個經(jīng)典問題實際上是線程同步問題的抽象描 述，即計算機系統(tǒng)中的每個進(jìn)程都可以消費（使用）或生產(chǎn)（釋放）數(shù)據(jù)，進(jìn)程 釋放數(shù)據(jù)相當(dāng)于生產(chǎn)者，使用數(shù)據(jù)相當(dāng)于消費者。從 Java 的多線程機制出發(fā) , 研究了操作系統(tǒng)中經(jīng)典的同

9、步問題生產(chǎn)者消 費者問題, 提出了兩種解決此問題的模型 , 及其 Java 解決方案。提出的兩個模 型充分利用了 Java 中面向?qū)ο蠛凸艹虣C制 , 模擬了操作系統(tǒng)中進(jìn)程同步的經(jīng)典 問題生產(chǎn)者消費者問題。 在第一個模型中 , 我們按照生產(chǎn)者消費者問題典型的 解決方案給出了 Java 解決模型 ; 在第二個模型中 , 我們分析了信號量 mutex 在問題中所起的作用 , 并為了提高緩沖區(qū)讀寫的效率 , 提出了將信號量 mutex 分為兩個分別控制生產(chǎn)者和消費者的信號量 , 并討論了此方案的可行性。參考文獻(xiàn)1 計算機操作系統(tǒng) 湯子瀛哲鳳屏 湯小丹主編 西安電子科技大學(xué)出版社2 計算機操作系統(tǒng)概論陳

10、宏 楊忠耀主編 重慶郵電大學(xué)出版社3 計算機操作系統(tǒng)基本知識廖成 崔陽 主編 電子工業(yè)出版社4 操作系統(tǒng)實現(xiàn)與設(shè)計陸剛 望能主編 電子工業(yè)出版社5 java 程序語言設(shè)計丁振凡主編，薛清華副主編清華大學(xué)出版社致謝本組全體成員在此向所有關(guān)心我們的及幫助我們的老師和同學(xué)們致以最真 誠的感謝。在本次畢業(yè)設(shè)計中， 尤其要感謝楊傳健老師， 對我們的課程設(shè)計時刻 的關(guān)注，當(dāng)我們遇到困難時給了我們很大的幫助，交給了我們團隊的合作理念， 使得我們能夠按時完成這次的課程設(shè)計。學(xué)生簽名： 填表日期： 年 月 日附錄import import import import import import import i

11、mport import roduct = -1;pBuffer i . hasProduct = false ;asProductroduct ; roduct = 0; asProduct = false ; roduct = productNo ; =true ; roduct +"t" +pBuffer i . hasProduct +"n");/*一個緩沖單元*/class ProductBuffer int product ; tart();for (int j =0; j <consumerNum j +)con Thread j =

12、 n ewC on sumerThread(j +1);con sumer j = n ewThread( con Thread j ); consumer j .start();private void createNewUK) JFrame frame = new JFrame( "Leo");/創(chuàng)建界面public void createUI()JFrame frame = new JFrame("生產(chǎn)者消費者"); JPanel panel = new JPanel( newBorderLayout();；JScrollPa ne scrPa n

13、e = new JScrollPa ne( ta);(scrPa ne,;JButton button = new JButton("停止");(this );(button ,;(panel); (true );(1000,500);/按鈕響應(yīng)事件e)public void actionPerformed(ActionEvent isRun = false ;/控制線程結(jié)束II停止");public static void main( Stri ngargs )Producer_and_Customer producerConsumer = new Producer_a nd_Customer(); 一 一/定義生產(chǎn)者線程class ProducerThread implements Runnable int productNo = 0;/ 產(chǎn)品編號int id ;/ 生產(chǎn)者 IDpublic ProducerThread( int id)=id ;public void run()while (isRun) productNo +;/ 生產(chǎn)產(chǎn)品(productNo , id );/將產(chǎn)品放入緩沖隊列try (1000); catch