進程同步模擬設計—生產(chǎn)者和消費者分析

1、學 號： 課 程 設 計題 目進程同步模擬設計生產(chǎn)者和消費者問題學 院計算機科學與技術學院專 業(yè)計算機科學與技術專業(yè)班 級1006班姓 名丁探指導教師劉洪星2013年1月17日課程設計任務書學生姓名： 丁探 專業(yè)班級： 計算機1006 指導教師： 劉洪星 工作單位： 計算機科學與技術學院 題 目: 進程同步模擬設計生產(chǎn)者和消費者問題 初始條件：1預備內(nèi)容：閱讀操作系統(tǒng)的進程管理章節(jié)內(nèi)容，對進程的同步和互斥，以及信號量機制度有深入的理解。2實踐準備：掌握一種計算機高級語言的使用。要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1模擬用信號量機制實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者

2、問題。2設計報告內(nèi)容應說明： 課程設計目的與功能； 需求分析，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或模塊說明(功能與框圖)； 源程序的主要部分； 運行結(jié)果與運行情況分析； 自我評價與總結(jié)：i）你認為你完成的設計哪些地方做得比較好或比較出色；ii）什么地方做得不太好，以后如何改正；iii）從本設計得到的收獲（在編寫，調(diào)試，執(zhí)行過程中的經(jīng)驗和教訓）；iv）完成本題是否有其他的其他方法（如果有，簡要說明該方法）；v）對實驗題的評價和改進意見，請你推薦設計題目。時間安排：設計安排一周：周1、周2：完成程序分析及設計。周2、周3：完成程序調(diào)試及測試。周4、周5：驗收、撰寫課程設計報告。（注意事項：嚴禁抄襲，一旦發(fā)現(xiàn)，抄與被抄的一律

3、按0分記）指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目 錄1、 需求分析.42、 功能設計.53、源程序.84、運行結(jié)果.135、總 結(jié).166、參考文獻.16生產(chǎn)者消費者問題1. 需求分析1.1問題描述： 一組生產(chǎn)者向一組消費者提供消息，它們共享一個有界緩沖區(qū)n，生產(chǎn)者向其中投放消息，消費者從中取得消息。1.2規(guī)則：n 對于生產(chǎn)者進程：產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)，當要送入緩沖區(qū)時，要檢查緩沖區(qū)是否已滿，若未滿，則可將數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)，并通知消費者進程；否則，等待；n 對于消費者進程：當它去取數(shù)據(jù)時，要看緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)可取，若有則取走一個數(shù)據(jù)，并通知生產(chǎn)者進程，否則，等待。n 緩沖區(qū)

4、是個臨界資源，因此，諸進程對緩沖區(qū)的操作程序是一個共享臨界區(qū)，所以，還有個互斥的問題。1.3信號燈設置 ：兩個同步信號燈-    empty ：表示空緩沖區(qū)的數(shù)目，初值為有界緩沖區(qū)的大小n；     full ： 表示滿緩沖區(qū)(即信息)的數(shù)目，其初值為0；一個互斥信號燈-    mutex：互斥信號燈，初值為1。 1.4同步描述： 1.5程序描述：main( )        int full=0； /*滿緩沖區(qū)的數(shù)目*/    int empty=n；/*空緩沖區(qū)的數(shù)目*/

5、    int mutex=1；/*對有界緩沖區(qū)進行操作的互斥信號燈*/    cobegin    p1 ( )； p2( )；    coend    p1() while(生產(chǎn)未完成) ··· 生產(chǎn)一個產(chǎn)品; p(empty); p(mutex); 送一個產(chǎn)品到有界緩沖區(qū); v(mutex)； v(full); p2( ) while(還要繼續(xù)消費) p(full)； p(mutex)； 從有界緩沖區(qū)中取產(chǎn)品； v(mutex)； v(empty)； 

6、3;·· 消費一個產(chǎn)品； 1.6 C+語言程序模擬用信號量機制實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者問題：本次課程設計主要通過C+模擬信號量制中各個進程，及各進程之間的互斥、同步關系，來實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者問題。2. 功能設計2.1設計目的：通過實驗模擬生產(chǎn)者和消費者之間的關系，了解并掌握他們之間的關系及其原理。由此增加對進程同步的問題的了解。具體如下: 1）掌握基本的同步互斥算法，理解生產(chǎn)者和消費者模型； 2）了解windows中多線程（多進程）的并發(fā)執(zhí)行機制，線程（進程）間的同步和互斥； 3）學習使用windows中基本的同步對象，掌握相應的API。2.2設計功能:利用模擬用信號量機制實現(xiàn)生

7、產(chǎn)者和消費者問題：通過用戶控制取進程和放進程，反應生產(chǎn)者和消費者問題中所涉及的進程的同步與互斥。2.3數(shù)據(jù)流程圖：1、生產(chǎn)者2、消費者2.4模塊說明：const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 10; /緩沖區(qū)長度 unsigned short ProductID = 0; /產(chǎn)品號 unsigned short ConsumeID = 0; /將被消耗的產(chǎn)品號 unsigned short in = 0; /產(chǎn)品進緩沖區(qū)時的緩沖區(qū)下標 unsigned short out = 0; /產(chǎn)品出緩沖區(qū)時的緩沖區(qū)下標 int g_bufferSIZE_OF_BUFF

8、ER; /緩沖區(qū)是個循環(huán)隊列 bool g_continue = true; /控制程序結(jié)束 HANDLE g_hMutex; /用于線程間的互斥 HANDLE g_hFullSemaphore; /當緩沖區(qū)滿時迫使生產(chǎn)者等待 HANDLE g_hEmptySemaphore; /當緩沖區(qū)空時迫使消費者等待 DWORD WINAPI Producer(LPVOID); /生產(chǎn)者線程 DWORD WINAPI Consumer(LPVOID); /消費者線程 3、源程序#include <windows.h>#include <iostream>const unsigne

9、d short SIZE_OF_BUFFER = 20;/有界緩沖區(qū)長度int g_bufferSIZE_OF_BUFFER;/開辟緩沖區(qū)，用數(shù)組表示，可以看成是一個循環(huán)隊列unsigned short ProductID = 0;/新生產(chǎn)出來的產(chǎn)品的產(chǎn)品號unsigned short ConsumeID = 0;/被消耗的產(chǎn)品的產(chǎn)品號unsigned short in = 0;/產(chǎn)品進緩沖區(qū)時的緩沖區(qū)下標，用于記錄生產(chǎn)者的指針位置unsigned short out = 0;/產(chǎn)品出緩沖區(qū)時的緩沖區(qū)下標，用于記錄消費者的指針位置bool g_continue = 1;/控制程序運行：1表示繼

10、續(xù)運行，0表示停止運行HANDLE g_hMutex;/線程間的互斥信號量HANDLE g_hFullSemaphore;/資源信號量：緩沖區(qū)滿HANDLE g_hEmptySemaphore;/資源信號量：緩沖區(qū)空DWORD WINAPI Producer(LPVOID);/生產(chǎn)者線程DWORD WINAPI Consumer(LPVOID);/消費者線程const unsigned short PRODUCERS_COUNT=4;/生產(chǎn)者的個數(shù)const unsigned short CONSUMERS_COUNT=3;/消費者的個數(shù)const unsigned short THREADS

11、_COUNT=PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT;/總線程數(shù)HANDLE hThreadsPRODUCERS_COUNT;/各線程的handleDWORD producerIDCONSUMERS_COUNT;/生產(chǎn)者線程的標識符DWORD consumerIDTHREADS_COUNT;/消費者線程的標識符/*-生產(chǎn)一個產(chǎn)品開始-*/生產(chǎn)一個產(chǎn)品，輸出其ID號void Produce()std:cout<<std:endl;std:cerr<<"生產(chǎn)一個產(chǎn)品: "<<+ProductID;std:cout<

12、;<std:endl;/*-生產(chǎn)一個產(chǎn)品結(jié)束-*/*-把新生產(chǎn)的產(chǎn)品放入緩沖區(qū)開始-*/把新生產(chǎn)的產(chǎn)品放入緩沖區(qū)void Append()std:cerr<<"把生產(chǎn)的產(chǎn)品送入緩沖區(qū)"g_bufferin=ProductID;in=(in+1)%SIZE_OF_BUFFER;std:cerr<<std:endl;std:cout<<"緩沖區(qū) 產(chǎn)品 生產(chǎn)者/消費者"<<std:endl;/新產(chǎn)品放入緩沖區(qū)后，輸出緩沖區(qū)當前的狀態(tài)for(int i=0;i<SIZE_OF_BUFFER;+i) /輸

13、出緩沖區(qū)下標if (i<10)std:cout<<i<<" "<<g_bufferi;elsestd:cout<<i<<" "<<g_bufferi;if(i=in)if(g_bufferi<10)std:cout<<" "elsestd:cout<<" "std:cout<<" <- 生產(chǎn)者"/輸出生產(chǎn)者的指針位置if(i=out)if(g_bufferi<10)

14、std:cout<<" "elsestd:cout<<" "std:cout<<" <- 消費者"/輸出消費者的指針位置std:cout<<std:endl;/*-把新生產(chǎn)的產(chǎn)品放入緩沖區(qū)結(jié)束-*/*-消費一個產(chǎn)品開始-*/void Consume()/消費一個產(chǎn)品std:cout<<std:endl;std:cerr<<"消費一個產(chǎn)品: "<<ConsumeID;std:cout<<std:endl;/*-消費一

15、個產(chǎn)品結(jié)束-*/*-從緩沖區(qū)中取出一個產(chǎn)品開始-*/從緩沖區(qū)中取出一個產(chǎn)品void Take()std:cout<<std:endl;std:cerr<<"從緩沖區(qū)取出一個產(chǎn)品"ConsumeID=g_bufferout;out=(out+1)%SIZE_OF_BUFFER;std:cerr<<std:endl;std:cout<<std:endl;std:cout<<"緩沖區(qū) 產(chǎn)品 生產(chǎn)者/消費者"<<std:endl;/取出一個產(chǎn)品后，輸出緩沖區(qū)當前的狀態(tài)for(int i=0;

16、i<SIZE_OF_BUFFER;+i) /輸出緩沖區(qū)下標if(i<10)std:cout<<i<<" "<<g_bufferi;elsestd:cout<<i<<" "<<g_bufferi;if(i=in)if(g_bufferi<10)std:cout<<" "elsestd:cout<<" "std:cout<<" <- 生產(chǎn)者"/輸出生產(chǎn)者的指針位置if(

17、i=out)if(g_bufferi<10)std:cout<<" "elsestd:cout<<" "std:cout<<" <- 消費者"/輸出消費者的指針位置std:cout<<std:endl;/*-從緩沖區(qū)中取出一個產(chǎn)品結(jié)束-*/*-生產(chǎn)者線程開始-*/生產(chǎn)者線程DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara) while(g_continue)/資源信號量的P操作WaitForSingleObject(g_hFullSemaphore,IN

18、FINITE); /互斥信號量的P操作WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); /生產(chǎn)一個產(chǎn)品Produce();/把新生產(chǎn)的產(chǎn)品放入緩沖區(qū)Append();Sleep(2000);/互斥信號量的V操作ReleaseMutex(g_hMutex); /資源信號量的V操作ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore,1,NULL); return 0;/*-生產(chǎn)者線程結(jié)束-*/*-消費者線程開始-*/消費者線程DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara) while(g_continue)/資源信號量的P操

19、作WaitForSingleObject(g_hEmptySemaphore,INFINITE); /互斥信號量的P操作WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); /從緩沖區(qū)中取出一個產(chǎn)品Take();/消費一個產(chǎn)品Consume();Sleep(2000);/互斥信號量的V操作ReleaseMutex(g_hMutex); /資源信號量的V操作ReleaseSemaphore(g_hFullSemaphore,1,NULL); return 0;/*-消費者線程結(jié)束-*/*-創(chuàng)建生產(chǎn)者線程開始-*/void createPT()/創(chuàng)建生產(chǎn)者線程for(in

20、t i=0;i<PRODUCERS_COUNT;+i)hThreadsi=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producerIDi);if(hThreadsi=NULL)g_continue=0;/*-創(chuàng)建生產(chǎn)者線程結(jié)束-*/*-創(chuàng)建消費者線程開始-*/void createCT()/創(chuàng)建消費者線程for (int j=0;j<CONSUMERS_COUNT;+j)hThreadsPRODUCERS_COUNT+j=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumerIDj);if (hThreadsj=NULL)g_continue=0;/*-創(chuàng)建消費者線程結(jié)束-*/*-主函數(shù)開始-*/void main()/創(chuàng)建互斥信號量g_hMutex=CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); /創(chuàng)建資源信號量g_hFullSemaphore=CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL);g_hEmptySemaphore=CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL);/創(chuàng)建生產(chǎn)者線程createPT();/創(chuàng)建消費者