燕山大學(xué)操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書

1、 燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)名稱：操作系統(tǒng) 題目：多道程序緩沖區(qū)協(xié)調(diào)操作 （模擬生產(chǎn)者消費(fèi)者問題） 課題負(fù)責(zé)人： 學(xué)院： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 課題開發(fā)日期：2014年1月13日 自評(píng)成績： A 目錄1 概述-31.1 目的-31.2 主要完成的任務(wù)-31.3 使用的開發(fā)工具、開發(fā)語言-31.4 本軟件解決的主要問題 -42 設(shè)計(jì)的基本理念、概念和原理-42.1 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 but

2、ton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線程的設(shè)計(jì)-9MOVER1線程的設(shè)計(jì)-10GETTER1線程的設(shè)計(jì)-11“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(cè)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

3、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

4、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，buffer3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

5、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?2.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(duì)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(duì)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

6、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(duì)話框類，并在對(duì)話框中添加了基本需要的所有控件：（1） buffer1，buffer2，buffer3三個(gè)LISTBOX控件，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(duì)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(duì)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(duì)buffer容器的控制（PUTTER，MOVER1，MOVER2，GETTER1，GETTER2）：（1） PU

7、TTER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，MOVER2線程分別將buffer1中的數(shù)據(jù)移動(dòng)至buffer2 和buffer3中。（3） GETTER1，GETTER2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(duì)話框中按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)所有線程的控制：（1） “開始”按鈕：開始所有線程，實(shí)現(xiàn)多

8、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螅M(jìn)程，線程，線程的同步，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(hào)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，MOVER2,GETTER1，GETTER2五個(gè)線程，達(dá)到信號(hào)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。Pca對(duì)話框類：主界面設(shè)計(jì)、顯示數(shù)據(jù)、過程演示PUTTER線

9、程：生產(chǎn)者：執(zhí)行put操作MOVER1線程：搬運(yùn)者1：執(zhí)行move1操作GETTER1線程：消費(fèi)者1:執(zhí)行g(shù)et 操作MOVER2線程：搬運(yùn)者2：執(zhí)行move2操作GETTER2線程：消費(fèi)者2：執(zhí)行g(shù)et操作3.2 模塊關(guān)系及總體流程 圖1. 模塊關(guān)系參數(shù)設(shè)定（或使用默認(rèn)數(shù)據(jù)）開始運(yùn)行（速度控制）結(jié)束動(dòng)態(tài)顯示每個(gè)buffer中的字符數(shù)據(jù)內(nèi)容，移動(dòng)過程以及數(shù)量數(shù)據(jù)匯總顯示退出 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(duì)buffer實(shí)現(xiàn)一次操作。 g_hFullItems1，g_hFullItems2，g_

10、hFullItems3 g_hEmptyItems1，g_hEmptyItems2，g_hEmptyItems3： 六個(gè)信號(hào)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。 clock_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 PThread int 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(duì)窗口的控制。 SIZE_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(duì)容器buffer容量的控制。 SPEED：控件添加

11、的變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)線程速度的控制。 Produce_Num ,Consumer1_Num ,Consumer2_Num ,Move1_Num ,Move2_Num：控件添加的變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)者，消費(fèi)者，物流移動(dòng)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 WINAPI PUTTER(

12、LPVOID para)/PUT線程其參數(shù)為 LPVOID para ，在創(chuàng)建線程時(shí)通過P_hThreadsi =CreateThread(NULL,0,PUTTER,(LPVOID)&pthread0,0,&putIDi); 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(duì)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(duì)當(dāng)前對(duì)話框窗口中所有參數(shù)的調(diào)用。 MOVER1，MOVER2，GETTER1，GETTER2線程與PUTTER線程類似。4.3 button按

13、鈕的設(shè)計(jì) “開始”按鈕： 創(chuàng)建每個(gè)互斥體，互斥信號(hào)以及線程。 void CpacDlg:OnBnClickedButton1()/ TODO: 在此添加控件通知處理程序代碼UpdateData(1);g_hMutex1 = :CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);/buff1互斥鎖 g_hFullItems1 = :CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_1,NULL); /buff1信號(hào)量 g_hEmptyItems1 = :CreateSemaphore(NULL,SIZE_1, SIZE_1,NULL); 。 。 /創(chuàng)建PUT線程 for (int i

14、=0;iProduce_Num;+i)pthread0.dlg = this;pthread0.ptid = i; P_hThreadsi =CreateThread(NULL,0,PUTTER,(LPVOID)&pthread0,0,&putIDi);/if(P_hThreadsi = NULL) MessageBox(TEXT(線程創(chuàng)建錯(cuò)誤！); 。 。 “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(duì)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

15、;for(int i=0;idlg;int i = pthread-ptid;int j=dlg-SPEED;int speed = 1000*j;LARGE_INTEGER nFrequency;/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(jí)) LARGE_INTEGER nStartCounter; :QueryPerformanceCounter(&nStartCounter); :srand(unsigned)nStartCounter.LowPart); else

16、/ 否則使用當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間初始化隨機(jī)種子(毫秒級(jí)) :srand(unsigned)time(NULL); while(true) CString buf; WaitForSingleObject(g_hEmptyItems1,INFINITE); /進(jìn)行P操作 WaitForSingleObject(g_hMutex1,INFINITE); /產(chǎn)生隨機(jī)字符（A-Z）char ch;ch = char ( (rand() % 26) + 65 );buf.Format(_T(put-%c),ch);dlg-buffer1.InsertString(0,buf);dlg-Pro_Num+;/確定生

17、產(chǎn)總數(shù)量int buf1c;/確定當(dāng)前buffer1中的產(chǎn)品數(shù)量CString str;buf1c = dlg-buffer1.GetCount();str.Format(_T(%d個(gè)),buf1c);dlg-Buffer_C.SetWindowTextW(str); /在窗口中顯示當(dāng)前buffer1的數(shù)據(jù)數(shù)量 :Sleep(speed); /速度設(shè)置ReleaseMutex(g_hMutex1); /進(jìn)行V操作ReleaseSemaphore(g_hFullItems1,1,NULL); return 0;MOVER1線程的設(shè)計(jì)：DWORD WINAPI MOVER1(LPVOID para

18、)/MOVE1線程PThread * pthread = (PThread *) para; /規(guī)范化參數(shù)CpacDlg * dlg = pthread-dlg;int i = pthread-ptid;int j=(dlg-SPEED);int speed =1000*j;while(true) WaitForSingleObject(g_hFullItems1,INFINITE); /進(jìn)行P操作 WaitForSingleObject(g_hEmptyItems2,INFINITE); WaitForSingleObject(g_hMutex1,INFINITE); WaitForSing

19、leObject(g_hMutex2,INFINITE); /將buffer1中的數(shù)據(jù)移至buffer2中 CString cs; int n; n = dlg-buffer1.GetCount(); dlg-buffer1.GetText(n-1,cs); dlg-buffer1.DeleteString(n-1); CString cc; cc.Format(_T(move1-); cs = cc + cs; dlg-buffer2.InsertString(0,cs); int buf1c;/確定當(dāng)前buffer1中的產(chǎn)品數(shù)量 CString str; buf1c = dlg-buffe

20、r1.GetCount(); str.Format(_T(%d個(gè)),buf1c); dlg-Buffer_C.SetWindowTextW(str); /顯示當(dāng)前buffer1中的產(chǎn)品數(shù)量 int buf2c;/確定當(dāng)前buffer2中的產(chǎn)品數(shù)量 CString str1; buf2c = dlg-buffer2.GetCount(); str1.Format(_T(%d個(gè)),buf2c); dlg-Buf_C1.SetWindowTextW(str1); /顯示當(dāng)前buffer2中的產(chǎn)品數(shù)量 :Sleep(speed); /設(shè)置速度 ReleaseMutex(g_hMutex2); /進(jìn)行V

21、操作 ReleaseMutex(g_hMutex1); ReleaseSemaphore(g_hFullItems2,1,NULL); ReleaseSemaphore(g_hEmptyItems1,1,NULL); return 0;GETTER1線程的設(shè)計(jì)：DWORD WINAPI GETTER1(LPVOID para) /GET1線程PThread * pthread = (PThread *)para;/規(guī)范化參數(shù)CpacDlg * dlg = pthread-dlg;int i = pthread-ptid;int j=(dlg-SPEED);int speed =1000*j ;

22、while(true)WaitForSingleObject(g_hFullItems2,INFINITE); /進(jìn)行P操作WaitForSingleObject(g_hMutex2,INFINITE); /移出buffer2中的數(shù)據(jù) CString cs; int n; n = dlg-buffer2.GetCount(); dlg-buffer2.GetText(n-1,cs); dlg-buffer2.DeleteString(n-1); dlg-Con1_Num = dlg-Con1_Num + 1; /消費(fèi)者1消費(fèi)的產(chǎn)品數(shù)量加1 int buf2c; /確定當(dāng)前buffer2中的產(chǎn)品

23、數(shù)量 CString str1; buf2c = dlg-buffer2.GetCount(); str1.Format(_T(%d個(gè)),buf2c); dlg-Buf_C1.SetWindowTextW(str1); :Sleep(speed); /設(shè)置速度ReleaseMutex(g_hMutex2); /進(jìn)行V操作ReleaseSemaphore(g_hEmptyItems2,1,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(1);g_hMutex1

24、= :CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);/buff1互斥鎖 g_hFullItems1 = :CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_1,NULL); /buff1信號(hào)量 g_hEmptyItems1 = :CreateSemaphore(NULL,SIZE_1, SIZE_1,NULL);g_hMutex2 = :CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); g_hFullItems2 = :CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_2,NULL); /buff2互斥鎖 g_hEmptyItems2 = :CreateSem

25、aphore(NULL,SIZE_2, SIZE_2,NULL);g_hMutex3 = :CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); g_hFullItems3 = :CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_3,NULL); /buff3互斥鎖 g_hEmptyItems3 = :CreateSemaphore(NULL,SIZE_3, SIZE_3,NULL);start = clock(); /獲得線程開始時(shí)間 /創(chuàng)建PUT線程 for (int i=0;iProduce_Num;+i)pthread0.dlg = this;pthread0.ptid =

26、 i; P_hThreadsi =CreateThread(NULL,0,PUTTER,(LPVOID)&pthread0,0,&putIDi);/if(P_hThreadsi = NULL) MessageBox(TEXT(線程創(chuàng)建錯(cuò)誤！); /創(chuàng)建MOVE1和MOVE2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)

27、 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 =CreateThread(NULL,0,MOVER2,(LPVOID)&pthread2,0,&move2IDk);if(M2_hThreadsk = NULL) MessageBox(TEXT(線程創(chuàng)建錯(cuò)誤！); /創(chuàng)建GET1和GET2線程for (int m=0;mConsumer1_Num;+m)pthread3.dlg = this;pthread3.ptid = m; C1

28、_hThreadsm =CreateThread(NULL,0,GETTER1,(LPVOID)&pthread3,0,&get1IDm);if(C1_hThreadsm = NULL) MessageBox(TEXT(線程創(chuàng)建錯(cuò)誤！); for (int n=0;nConsumer2_Num;+n)pthread4.dlg = this;pthread4.ptid = n; C2_hThreadsn =CreateThread(NULL,0,GETTER2,(LPVOID)&pthread4,0,&get2IDn);if(C2_hThreadsn = NULL) MessageBox(TEX

29、T(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_Thread10;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+)/Ge

30、tExitCodeThread(M1_hThreadsi,&KM1_Threadi);TerminateThread(M1_hThreadsi,KM1_Threadi);/ExitThread(KM1_Threadi);DWORD KM2_Thread1;for(int i=0;iMove2_Num;i+)/GetExitCodeThread(M2_hThreadsi,&KM2_Threadi);TerminateThread(M2_hThreadsi,KM2_Threadi);/ExitThread(KM2_Threadi);DWORD KC1_Thread10;for(int i=0;iC

31、onsumer1_Num;i+)/GetExitCodeThread(C1_hThreadsi,&KC1_Threadi);TerminateThread(C1_hThreadsi,KC1_Threadi);DWORD KC2_Thread10;for(int i=0;iConsumer2_Num;i+)TerminateThread(C1_hThreadsi,KC2_Threadi);double duration;finish = clock(); /得到線程結(jié)束時(shí)間duration = double (finish - start)/ CLOCKS_PER_SEC); /得到線程運(yùn)行總時(shí)間CString str4;str4.Format(_T(%2.4f秒),duration);CLOCK.SetWindowTextW(str4); /輸出線程運(yùn)行總時(shí)間CString str;str.Format(_T(%d個(gè)),Pro_Num);Pro_NUM.SetWindowTextW(str); /輸出生產(chǎn)者最終生產(chǎn)總數(shù)CString str1;str1.Format(_T(%d個(gè)),Con1_Nu