實(shí)驗(yàn) 多線程生產(chǎn)者消費(fèi)者實(shí)驗(yàn)

1、 南昌大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名： 王維 學(xué) 號(hào)： 6100212202 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 網(wǎng)工121班 實(shí)驗(yàn)類(lèi)型： 驗(yàn)證 綜合 設(shè)計(jì) 創(chuàng)新 實(shí)驗(yàn)日期： 5/14 實(shí)驗(yàn)成績(jī)： 一、 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱(chēng)實(shí)驗(yàn)8 多線程“生產(chǎn)者消費(fèi)者”實(shí)驗(yàn)二、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?“生產(chǎn)者消費(fèi)者”問(wèn)題是一個(gè)著名的同時(shí)性編程問(wèn)題的集合。通過(guò)學(xué)習(xí)經(jīng)典的“生產(chǎn)者消費(fèi)者”問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)，讀者可以進(jìn)一步熟悉Linux中的多線程編程，并且掌握用信號(hào)量處理線程間的同步和互斥問(wèn)題。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容“生產(chǎn)者消費(fèi)者”問(wèn)題描述如下。有一個(gè)有限緩沖區(qū)和兩個(gè)線程：生產(chǎn)者和消費(fèi)者。他們分別不停地把產(chǎn)品放入緩沖區(qū)和從緩沖區(qū)中拿走產(chǎn)品。一個(gè)生產(chǎn)者在緩沖區(qū)滿(mǎn)的時(shí)候必須等待，一個(gè)消費(fèi)

2、者在緩沖區(qū)空的時(shí)候也必須等待。另外，因?yàn)榫彌_區(qū)是臨界資源，所以生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間必須互斥執(zhí)行。它們之間的關(guān)系如圖1所示。圖1 生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題描述這里要求使用有名管道（將在下一章介紹，可提前了解）來(lái)模擬有限緩沖區(qū)，并且使用信號(hào)量來(lái)解決“生產(chǎn)者消費(fèi)者”問(wèn)題中的同步和互斥問(wèn)題。四、 實(shí)驗(yàn)步驟（1）信號(hào)量的考慮。這里使用3個(gè)信號(hào)量，其中兩個(gè)信號(hào)量avail和full分別用于解決生產(chǎn)者和消費(fèi)者線程之間的同步問(wèn)題，mutex是用于這兩個(gè)線程之間的互斥問(wèn)題。其中avail表示有界緩沖區(qū)中的空單元數(shù)，初始值為N；full表示有界緩沖區(qū)中非空單元數(shù)，初始值為0；mutex是互斥信號(hào)量，初始值為1。（2）畫(huà)出流

3、程圖。本實(shí)驗(yàn)流程圖如圖2所示。圖2 “生產(chǎn)者消費(fèi)者”實(shí)驗(yàn)流程圖（3）編寫(xiě)代碼本實(shí)驗(yàn)的代碼中采用的有界緩沖區(qū)擁有3個(gè)單元，每個(gè)單元為5個(gè)字節(jié)。為了盡量體現(xiàn)每個(gè)信號(hào)量的意義，在程序中生產(chǎn)過(guò)程和消費(fèi)過(guò)程是隨機(jī)（采取05s的隨機(jī)時(shí)間間隔）進(jìn)行的，而且生產(chǎn)者的速度比消費(fèi)者的速度平均快兩倍左右（這種關(guān)系可以相反）。生產(chǎn)者一次生產(chǎn)一個(gè)單元的產(chǎn)品（放入“hello”字符串），消費(fèi)者一次消費(fèi)一個(gè)單元的產(chǎn)品。/*producer-customer.c*/#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#includ

4、e <fcntl.h>#include <pthread.h>#include <errno.h>#include <semaphore.h>#include <sys/ipc.h>#define MYFIFO "myfifo" /* 緩沖區(qū)有名管道的名字 */#define BUFFER_SIZE 3 /* 緩沖區(qū)的單元數(shù) */#define UNIT_SIZE 5 /* 每個(gè)單元的大小 */#define RUN_TIME 30 /* 運(yùn)行時(shí)間 */#define DELAY_TIME_LEVELS 5.0 /

5、* 周期的最大值 */int fd;time_t end_time;sem_t mutex, full, avail; /* 3個(gè)信號(hào)量 */*生產(chǎn)者線程*/void *producer(void *arg) int real_write; int delay_time = 0; while(time(NULL) < end_time) delay_time = (int)(rand() * DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX) / 2.0) + 1; sleep(delay_time); /*P操作信號(hào)量avail和mutex*/ sem_wait(&ava

6、il); sem_wait(&mutex); printf("nProducer: delay = %dn", delay_time); /*生產(chǎn)者寫(xiě)入數(shù)據(jù)*/ if (real_write = write(fd, "hello", UNIT_SIZE) = -1) if(errno = EAGAIN) printf("The FIFO has not been read yet.Please try latern"); else printf("Write %d to the FIFOn", real_w

7、rite); /*V操作信號(hào)量full和mutex*/ sem_post(&full); sem_post(&mutex); pthread_exit(NULL);/* 消費(fèi)者線程*/void *customer(void *arg) unsigned char read_bufferUNIT_SIZE; int real_read; int delay_time; while(time(NULL) < end_time) delay_time = (int)(rand() * DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX) + 1; sleep(delay_t

8、ime); /*P操作信號(hào)量full和mutex*/ sem_wait(&full); sem_wait(&mutex); memset(read_buffer, 0, UNIT_SIZE); printf("nCustomer: delay = %dn", delay_time); if (real_read = read(fd, read_buffer, UNIT_SIZE) = -1) if (errno = EAGAIN) printf("No data yetn"); printf("Read %s from FIFO

9、n", read_buffer); /*V操作信號(hào)量avail和mutex*/ sem_post(&avail); sem_post(&mutex); pthread_exit(NULL);int main() pthread_t thrd_prd_id,thrd_cst_id; pthread_t mon_th_id; int ret; srand(time(NULL); end_time = time(NULL) + RUN_TIME; /*創(chuàng)建有名管道*/ if(mkfifo(MYFIFO, O_CREAT|O_EXCL) < 0) &&

10、(errno != EEXIST) printf("Cannot create fifon"); return errno; /*打開(kāi)管道*/ fd = open(MYFIFO, O_RDWR); if (fd = -1) printf("Open fifo errorn"); return fd; /*初始化互斥信號(hào)量為1*/ ret = sem_init(&mutex, 0, 1); /*初始化avail信號(hào)量為N*/ ret += sem_init(&avail, 0, BUFFER_SIZE); /*初始化full信號(hào)量為0*/

11、ret += sem_init(&full, 0, 0); if (ret != 0) printf("Any semaphore initialization failedn"); return ret; /*創(chuàng)建兩個(gè)線程*/ ret = pthread_create(&thrd_prd_id, NULL, producer, NULL); if (ret != 0) printf("Create producer thread errorn"); return ret; ret = pthread_create(&thrd_c

12、st_id, NULL, customer, NULL); if(ret != 0) printf("Create customer thread errorn"); return ret; pthread_join(thrd_prd_id, NULL); pthread_join(thrd_cst_id, NULL); close(fd); unlink(MYFIFO); return 0;五、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果六、 實(shí)驗(yàn)心得通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，我深入理解了生產(chǎn)者消費(fèi)者的過(guò)程，這是經(jīng)典的操作系統(tǒng)理論中的進(jìn)程/線程同步模型。本次實(shí)驗(yàn)使用了信號(hào)量來(lái)完成線程中的同步過(guò)程。注意編譯的時(shí)候gcc要加參數(shù)-lpthread。本實(shí)驗(yàn)使用的信號(hào)量是POSIX的信號(hào)量。函數(shù)sem_wait是P操作，而sem_post是V操作。此外對(duì)于pthread線程庫(kù)的函數(shù)也有了新的認(rèn)識(shí)，pthread_join函數(shù)使當(dāng)前線程阻塞，等待指定線程結(jié)束。其概念類(lèi)似于進(jìn)程中的wait/waitpid函數(shù)。另外測(cè)試代碼中有一處錯(cuò)誤：if(mkfifo(MYFIFO, O_CREAT|O_EXCL) < 0) && (errno != EEXIST)。生成有名管道的mkf