生產(chǎn)者與消費者實驗報告

1、生產(chǎn)者和消費者實驗報告【實驗?zāi)康摹?. 加深對進(jìn)程概念的理解，明確進(jìn)程和程序的區(qū)別。2. 進(jìn)一步認(rèn)識并發(fā)執(zhí)行的實質(zhì)。3. 驗證用信號量機制實現(xiàn)進(jìn)程互斥的方法。4. 驗證用信號量機制實現(xiàn)進(jìn)程同步的方法?！緦嶒炓蟆坑胏語言編程搭建“生產(chǎn)者和消費者”經(jīng)典進(jìn)程通信問題的環(huán)境。要求程序運行時，按任意鍵停止，顯示當(dāng)前系統(tǒng)的各個參數(shù)的值。提交實驗報告，以及相關(guān)程序列表。打包成附件上傳?！緦嶒灜h(huán)境】Visual C+6.0【實驗內(nèi)容】1.了解經(jīng)典同步問題“生產(chǎn)者和消費者”生產(chǎn)者與消費者可以通過一個環(huán)形緩沖池聯(lián)系起來，環(huán)形緩沖池由幾個大小相等的緩沖塊組成，每個緩沖塊容納一個產(chǎn)品。每個生產(chǎn)者可不斷地每次往緩沖池

2、中送一個生產(chǎn)產(chǎn)品，而每個消費者則可不斷地每次從緩沖池中取出一個產(chǎn)品。指針i和指針j分別指出當(dāng)前的第一個空緩沖塊和第一個滿緩沖塊。2.分析和理解（1）既存在合作同步問題，也存在臨界區(qū)互斥問題合作同步：當(dāng)緩沖池全滿時，表示供過于求，生產(chǎn)者必須等待，同時喚醒消費者；當(dāng)緩沖池全空時，表示供不應(yīng)求，消費者應(yīng)等待，同時喚醒生產(chǎn)者?；コ猓壕彌_池顯然是臨界資源，所在生產(chǎn)者與消費都要使用它，而且都要改變它的狀態(tài)。（2）基于環(huán)形緩沖區(qū)的生產(chǎn)者與消費者關(guān)系形式描述：公用信號量mutex：初值為1，用于實現(xiàn)臨界區(qū)互斥生產(chǎn)者私用信號量empty：初值為n，指示空緩沖塊數(shù)目消費者私用信號量full：初值為0，指示滿緩沖塊

3、數(shù)目整型量i和j初值為0，i指示首空緩沖塊序號，j指示首滿緩沖塊序號（3）PV原語var mutex,empty,full:semaphore;i,j:integer;buffer:array0.n-1 of item;i:=j:=1;Procedure producer;beginwhile true dobeginproduce a product;P(empty);P(mutex);buffer(i):=product;i:=(i+1) mod n;V(mutex);V(full);end;end;Procedure consumer;beginP(full);P(mutex);good

4、s:=buffer(j);j:=(j+1) mod n;V(mutex);V(empty);consume a product;end;end;【實驗源程序代碼】#include <windows.h>#include <iostream>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(jìn)緩沖區(qū)時的緩沖區(qū)下標(biāo)unsigned s

5、hort out = 0; /產(chǎn)品出緩沖區(qū)時的緩沖區(qū)下標(biāo)int g_bufferSIZE_OF_BUFFER; /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(dāng)緩沖區(qū)滿時迫使生產(chǎn)者等待HANDLE g_hEmptySemaphore; /當(dāng)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int main() /創(chuàng)建各個互斥信號 g_h

6、Mutex = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); g_hFullSemaphore = CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL); g_hEmptySemaphore = CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL); /調(diào)整下面的數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生產(chǎn)者個數(shù)多于消費者個數(shù)時， /生產(chǎn)速度快，生產(chǎn)者經(jīng)常等待消費者；反之，消費者經(jīng)常等待 const unsigned short PRODUCERS_COUNT = 3; /生產(chǎn)者的個數(shù) const

7、 unsigned short CONSUMERS_COUNT = 1; /消費者的個數(shù) /總的線程數(shù) const unsigned short THREADS_COUNT = PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT; HANDLE hThreadsPRODUCERS_COUNT; /各線程的handle DWORD producerIDCONSUMERS_COUNT; /生產(chǎn)者線程的標(biāo)識符 DWORD consumerIDTHREADS_COUNT; /消費者線程的標(biāo)識符 /創(chuàng)建生產(chǎn)者線程 for (int i=0;i<PRODUCERS_COUNT;+i) h

8、Threadsi=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producerIDi); if (hThreadsi=NULL) return -1; /創(chuàng)建消費者線程 for (i=0;i<CONSUMERS_COUNT;+i) hThreadsPRODUCERS_COUNT+i=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumerIDi); if (hThreadsi=NULL) return -1; while(g_continue) if(getchar() /按回車后終止程序運行 g_conti

9、nue = false; return 0;/生產(chǎn)一個產(chǎn)品。簡單模擬了一下，僅輸出新產(chǎn)品的ID號void Produce() std:cerr << "Producing " << +ProductID << " . " std:cerr << "Succeed" << std:endl;/把新生產(chǎn)的產(chǎn)品放入緩沖區(qū)void Append() std:cerr << "Appending a product . " g_bufferin = Pr

10、oductID; in = (in+1)%SIZE_OF_BUFFER; std:cerr << "Succeed" << std:endl; /輸出緩沖區(qū)當(dāng)前的狀態(tài) for (int i=0;i<SIZE_OF_BUFFER;+i) std:cout << i <<": " << g_bufferi; if (i=in) std:cout << " <- 生產(chǎn)" if (i=out) std:cout << " <- 消費

11、" std:cout << std:endl; /從緩沖區(qū)中取出一個產(chǎn)品void Take() std:cerr << "Taking a product . " ConsumeID = g_bufferout; out = (out+1)%SIZE_OF_BUFFER; std:cerr << "Succeed" << std:endl; /輸出緩沖區(qū)當(dāng)前的狀態(tài) for (int i=0;i<SIZE_OF_BUFFER;+i) std:cout << i <<&q

12、uot;: " << g_bufferi; if (i=in) std:cout << " <- 生產(chǎn)" if (i=out) std:cout << " <- 消費" std:cout << std:endl; /消耗一個產(chǎn)品void Consume() std:cerr << "Consuming " << ConsumeID << " . " std:cerr << "Succeed

13、" << std:endl;/生產(chǎn)者DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara) while(g_continue) WaitForSingleObject(g_hFullSemaphore,INFINITE); WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); Produce(); Append(); Sleep(1500); ReleaseMutex(g_hMutex); ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore,1,NULL); return 0;/消費者DWORD WINAPI

14、Consumer(LPVOID lpPara) while(g_continue) WaitForSingleObject(g_hEmptySemaphore,INFINITE); WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); Take(); Consume(); Sleep(1500); ReleaseMutex(g_hMutex); ReleaseSemaphore(g_hFullSemaphore,1,NULL); return 0;【實驗結(jié)果】具體程序見附件（網(wǎng)絡(luò)查找）【實驗反思】本次實驗是關(guān)于生產(chǎn)者和消費者之間互斥和同步的問題。問題的實質(zhì)是P,V操作

15、，實驗設(shè)一個共享緩沖區(qū)，生產(chǎn)者和消費者互斥的使用，當(dāng)一個線程使用緩沖區(qū)的時候，另一個讓其等待知道前一個線程釋放緩沖區(qū)為止。 通過本次實驗，我們對操作系統(tǒng)的P,V進(jìn)一步的認(rèn)識，深入的了解P,V操作的實質(zhì)和其重要性。課本的理論知識進(jìn)一步闡述了現(xiàn)實的實際問題。 【實驗思考題】1.思考在“生產(chǎn)者和消費者”經(jīng)典同步問題中，兩個P操作是否可以互換位置，以及兩個V操作是否可以互換位置。在生產(chǎn)者消費者問題中，如果將兩個P操作，即P(full)和P(mutex)互換位置，或者P(empty)和P(mutex)互換位置，都可能引起死鎖?？紤]系統(tǒng)中緩沖區(qū)全滿前時，若一生產(chǎn)者進(jìn)程先執(zhí)行了P(mutex)操作并獲得成功

16、，當(dāng)再執(zhí)行P(empty)操作時，它將因失敗而進(jìn)入阻塞狀態(tài)，它期待消費者執(zhí)行V(empty)來喚醒自己。在此之前，它不可能執(zhí)行V(mutex)操作，從而使企圖通過P(mutex)進(jìn)入自己的臨界區(qū)的其他生產(chǎn)者和所有的消費者進(jìn)程全部進(jìn)入阻塞狀態(tài)，從而引起系統(tǒng)死鎖。類似地，消費者進(jìn)程若先執(zhí)行P(mutex)，后執(zhí)行P(full)，同樣可能造成死鎖。V(full)和V(mutex)互換位置，或者V(empty)和V(mutcx)互換位置，則不會引起死鎖，其影響只是使臨界資源的釋放略為推遲一些。2.思考在“哲學(xué)家就餐”經(jīng)典同步問題中，如何修改程序，可以保證不會發(fā)生死鎖現(xiàn)象。（1）至多只允許有四位哲學(xué)家同

17、時去拿左邊的筷子，最終能保證至少有一位哲學(xué)家能夠進(jìn)餐，并在用畢時能釋放出他用過的兩只筷子，從而使更多的哲學(xué)家能夠進(jìn)餐。（2）僅當(dāng)哲學(xué)家的左、右兩只筷子均可用時，才允許他拿起筷子進(jìn)餐。（3）規(guī)定奇數(shù)號哲學(xué)家先拿他左邊的筷子，然后再去拿右邊的筷子，而偶數(shù)號哲學(xué)家則相反。按此規(guī)定，將是1、2號哲學(xué)家競爭1號筷子；3、4號哲學(xué)家競爭3號筷子。即五位哲學(xué)家都先競爭奇數(shù)號筷子，獲得后，再去競爭偶數(shù)號筷子，最后總會有一位哲學(xué)家能獲得兩只筷子而進(jìn)餐。5. 思考在“讀者與寫者”經(jīng)典同步問題中，如何修改程序，變?yōu)椤皩懻邇?yōu)先”的算法。（寫者優(yōu)先的算法）var rmutex,wmutex,mutex,s:semaph

18、ore=1,1,1,1;writecount:integer:=0;reader:beginrepeatwait(s);wait(rmutex);if readcount=0 then wait(wmutex);readcount:readcount+1;signal(rmutex);signal(s);perform read operation;wait(rmutex);readcount:=readcount-1;if readcount=0 then signal(wmutex);signal(rmutex);until false ;endwriter:beginrepeatwait(mutex);if writecount=0 then wait(s);writecount:writecount+1;signal(mutex);wait(wmutex);perform write operation;signal(wmutex);wait(mutex);writecount:=writecount-1;if writecount=0 then signal(s);signal(mutex);until false ;end4. 分析以下進(jìn)