操作系統(tǒng)課程設(shè)計(生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題)

1、 課程設(shè)計報告課程名稱: 操作系統(tǒng) 班 級： 1305022 學(xué) 號： 11 姓 名： 牟 黎 明 指導(dǎo)教師： 龔茗茗老師 計算機(jī)工程學(xué)院時間：2016.06.06-2016.06.12目 錄一、實驗概述11實驗?zāi)康?2實驗?zāi)繕?biāo)13、具體要求如下：14、實驗工具2二、實驗過程21、實驗題目分析22、算法流程23、算法實現(xiàn)34、關(guān)鍵問題35、關(guān)鍵代碼分析31.定義的變量:32.關(guān)鍵函數(shù):4CreateThread4信號量對象（semaphore）4等待操作5生產(chǎn)者消費(fèi)者函數(shù)66、程序代碼及注釋:8三、實驗結(jié)果與總結(jié)91、實驗結(jié)果92、實驗總結(jié)9參考文獻(xiàn)11附錄：111305022 班 11 牟黎

2、明 第2頁 目錄 共1頁一、實驗概述1實驗?zāi)康?、熟悉臨界資源、信號量及PV操作的定義與物理意義。2、了解進(jìn)程通信的方法。3、掌握進(jìn)程互斥與進(jìn)程同步的相關(guān)知識4、掌握用信號量機(jī)制解決進(jìn)程間的同步和互斥問題。5、實現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者問題，深刻理解進(jìn)程同步問題。2實驗?zāi)繕?biāo)在Linux操作系統(tǒng)下用C實現(xiàn)經(jīng)典進(jìn)程同步問題：生產(chǎn)者消費(fèi)者問題。3、具體要求如下：1、緩沖區(qū)大小為5，初始狀態(tài)為空。2、2個生產(chǎn)者，隨機(jī)等待一段時間，往緩沖區(qū)中添加數(shù)據(jù)，若緩沖區(qū)已滿，等待消費(fèi)者取走數(shù)據(jù)之后再添加，重復(fù)5次3、2個消費(fèi)者，隨機(jī)等待一段時間，從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，若緩沖區(qū)為空，等待生產(chǎn)者添加數(shù)據(jù)之后再讀取，重復(fù)5次。 生

3、產(chǎn)者 Buffer(大小為5) 消費(fèi)者 4、實驗工具開發(fā)環(huán)境：Visual C+ 6.0二、實驗過程1、實驗題目分析 本實驗要求利用PV操作實現(xiàn)解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問題中的同步問題。此問題描述的是2個生產(chǎn)者進(jìn)程在生產(chǎn)產(chǎn)品并將這些產(chǎn)品提供給消費(fèi)者進(jìn)程去消費(fèi)，在兩者之間設(shè)置了一個具有5個緩沖區(qū)的緩沖池，生產(chǎn)者進(jìn)程將它所生產(chǎn)的產(chǎn)品放入一個緩沖區(qū)，消費(fèi)者進(jìn)程可從緩沖區(qū)中取走產(chǎn)品去消費(fèi)，但它們之間必須保持同步，即不允許消費(fèi)者進(jìn)程到一個空緩沖區(qū)去取產(chǎn)品，也不允許生產(chǎn)者進(jìn)程向一個已裝滿且尚未取出的緩沖區(qū)中投放產(chǎn)品，并且生產(chǎn)者消費(fèi)者互斥使用緩沖區(qū)，定義信號量來實現(xiàn)互斥使。2、算法流程 3、算法實現(xiàn)主要用到生產(chǎn)者函

4、數(shù)DWORD WINAPI Producer(LPVOID para)來實現(xiàn)緩沖區(qū)產(chǎn)品數(shù)量的增加，用DWORD WINAPI Consumer(LPVOID para)來實現(xiàn)緩沖區(qū)產(chǎn)品的減少。并用到了CreateThread函數(shù)來創(chuàng)建生產(chǎn)者消費(fèi)者線程，利用線程的句柄以及創(chuàng)建線程是立刻運(yùn)行的特點(diǎn)來進(jìn)行生產(chǎn)消費(fèi)操作。至于PV算法的實現(xiàn)是利用mutex、empty和full，3個信號量來進(jìn)行控制， empty的值可以看做資源量，即當(dāng)前緩沖區(qū)的大小，初始化為緩沖區(qū)的大小，只有empty的數(shù)值大于0才可以進(jìn)行生產(chǎn)， full的數(shù)值與empty的值有對應(yīng)的關(guān)系，利用full來控制消費(fèi)的進(jìn)行。用mutex來

5、實現(xiàn)信號的同步于互斥，當(dāng)p(mutex)能申請時，就鎖住緩沖區(qū)，供自己使用，使用完后，用v(mutex)來釋放。4、關(guān)鍵問題 利用生產(chǎn)者進(jìn)程進(jìn)行生產(chǎn)，同時消費(fèi)者進(jìn)程也能進(jìn)行消費(fèi)，但是必須滿足同步的條件才可以允許，否則將提示緩沖區(qū)滿無法進(jìn)行生產(chǎn)或者緩沖區(qū)空無法進(jìn)行消費(fèi)的錯誤，其次，必須對公用的臨界資源進(jìn)行互斥使用，生產(chǎn)者生產(chǎn)時消費(fèi)者不能使用緩沖區(qū)，故程序應(yīng)該具有判斷的功能。若結(jié)束當(dāng)前的生產(chǎn)者消費(fèi)者進(jìn)程，將會提示此次進(jìn)程中生產(chǎn)消費(fèi)者分別生產(chǎn)了和消費(fèi)的產(chǎn)品數(shù)目，并統(tǒng)計緩沖區(qū)中剩余的產(chǎn)品數(shù)目，最后才結(jié)束。5、關(guān)鍵代碼分析1.定義的變量:#define BUFFER_NUM 5 /* 緩沖區(qū)個數(shù) */

6、struct Buffer /臨界區(qū) int productBUFFER_NUM; / 緩沖區(qū) int start, end; / 兩個指針 相當(dāng)于 in out 指針g_buf;typedef HANDLE Semaphore; / 信號量的Windows原型 句柄，唯一標(biāo)識Semaphore empty, full, mutex; /定義3個信號量，來實現(xiàn)互斥與同步定義PV操作，來實現(xiàn)資源的申請與釋放操作（對緩沖區(qū)的數(shù)目進(jìn)行操作）#define P(S) WaitForSingleObject(S, INFINITE) /定義c語言stdio.h庫中的P操作#define V(S) Rel

7、easeSemaphore(S, 1, NULL) / 定義c語言 stdio.h庫中的V操作2.關(guān)鍵函數(shù):CreateThread函數(shù)創(chuàng)建一個在調(diào)用進(jìn)程的地址空間中執(zhí)行的線程。此函數(shù)為API函數(shù)，用于創(chuàng)建生產(chǎn)者消費(fèi)者進(jìn)程。 程序中相關(guān)代碼： hThreadi = CreateThread(NULL, 0, Consumer, &i, 0, &tid); hThreadi = CreateThread(NULL, 0, Producer, &i, 0, &tid);信號量對象（semaphore）信號量對象實現(xiàn)了Dijkstra定義中的通用信號量語義。信號量對象

8、就是資源信號量，初始值的取值在0到指定最大值之間，用于限制并發(fā)訪問的線程數(shù)，也可用于進(jìn)程、線程間的同步。它的相關(guān)API包括：CreateSemaphore、OpenSemaphore和ReleaseSemaphore。本使用中主要用到了CreateSemaphore和ReleaseSemaphore。(1)CreateSemapore函數(shù)是創(chuàng)建一個有名或者無名信號量對象，在輸人參數(shù)中指定最大值和初值，返回對象句柄。格式：HANDLE CreateSemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpAttributes， LONG lInitialCount， LONG lMax

9、imumCount， LPCTSTR lpName );四個參數(shù)說明：1pAttributes：安全屬性。如果是NULL就表示要使用默認(rèn)屬性。1InitialCount：Semaphore的初值。必須0，并且MaximumCount。lMaximumCount：Semaphore的最大值。這也就是在同一時間內(nèi)能夠鎖住Semaphore之線程的最多個數(shù)。1pName：Semaphore的名稱(一個字符串)。任何線程(或進(jìn)程)都可以根據(jù)這一名稱引用到這個Semaphore。這個值可以是NULL，意思是產(chǎn)生一個沒有名字的Semaphore。 返回值：如果成功就傳回一個handle，否則傳回NULL程

10、序中相關(guān)代碼：mutex = CreateSemaphore(NULL, 1, 1, TEXT("mutexOfConsumerAndProducer");empty = CreateSemaphore(NULL, BUFFER_NUM, BUFFER_NUM, TEXT("BufferSemaphone");full = CreateSemaphore(NULL, 0, BUFFER_NUM, TEXT("ProductSemaphone");等待操作Windows 2000為對象提供了兩個統(tǒng)一的等待操作函數(shù)WaitForSingl

11、eObject和WaitForMultipleObjiects，等待函數(shù)被同步對象用于實現(xiàn)各種Dijkstra定義的P操作。等待的對象包括：Change notification(改變通告)；Console input(控制臺輸入)；Event(事件)；Job(作業(yè))；Mutex(互斥對象)；Process(進(jìn)程)；Semaphore(信號量)；Thread(線程)；Waitable timer(可等待定時器)。函數(shù)決定等待條件是否被滿足。如果等待條件并沒有被滿足，調(diào)用線程進(jìn)入一個高效的等待狀態(tài)，當(dāng)?shù)却凉M足條件時占用非常少的處理器時間。在運(yùn)行前，一個等待函數(shù)修改同步對象類型的狀態(tài)。修改僅發(fā)生在

12、引起函數(shù)返回的對象身上。例如，信號的計數(shù)減1。一個線程通過調(diào)用等待函數(shù)擁有對象。創(chuàng)建該對象的線程也擁有對象，而不需要調(diào)用等待函數(shù)。(1)WaitForSingleObject函數(shù)可在指定的時間內(nèi)等待指定對象為可用狀態(tài)當(dāng)下列情況之一發(fā)生時該函數(shù)返回：(1)指定對象處于信號態(tài)；(2)超時。格式：DWORD WaitForSingleObject（HANDLE hHandle, DWORD dwMilliseconds );參數(shù)說明： hHandle：等待對象句柄。 dwMilliseconds：指定以毫秒為單位的超時間隔。如果超時，即使對象的狀態(tài)是非信號態(tài)的并且沒有完成，函數(shù)也返回。如果它是0，函

13、數(shù)測試對象的狀態(tài)并立刻返回；如果它是INFINITE（定義為0xFFFFFFFF或-1），函數(shù)從不超時。返回值：如果函數(shù)調(diào)用成功，返回值表明引起函數(shù)返回的事件?？赡苤等缦拢篧AIT_ABANDONED：指定對象是互斥對象，在線程被終止前，線程沒有釋放互斥對象?；コ鈱ο蟮乃鶎訇P(guān)系被授予調(diào)用線程，并且該互斥對象被置為非信號態(tài)。WAITOBJECT_0：指定對象的狀態(tài)被置為信號態(tài)。WAIT_TIMEOUT：超時，并且對象的狀態(tài)為非信號態(tài)。如果函數(shù)調(diào)用失敗，返回值是WAIT_FAILED。程序中相關(guān)代碼：if ( hThreadi ) WaitForSingleObject(hThreadi, 10)

14、;(2)WaitForMultipleObjects函數(shù)可在指定的時間內(nèi)等待多個對象為可用狀態(tài)。格式：DWORD WaitForMultipleObjects(DWORD nCount，CONST HANDLE *lpHandles，BOOL bWaitAll，DWORD dwMilliseconds);參數(shù)說明：nCount規(guī)定了可引起函數(shù)阻塞的一組對象的句柄數(shù)目。lpHandles指向存放一組句柄的數(shù)組。bWaitAll規(guī)定了是否函數(shù)應(yīng)該等待一組對象都發(fā)送出有信號通知(bWaitAll=TRUE)，或者只是等待一個對象(bWaitAll=FLASE)。dwMilliseconds，它同在W

15、aitForSingleObiect一樣。程序中相關(guān)代碼： WaitForMultipleObjects(totalThreads, hThread, TRUE, INFINITE);生產(chǎn)者消費(fèi)者函數(shù)1、生產(chǎn)者線程DWORD WINAPI Producer(LPVOID para)int i = *(int *)para - CONSUMER_NUM; /得到當(dāng)前生產(chǎn)者的編號int ptr;/獲取緩沖區(qū)的位置int data; / 產(chǎn)品int j=0;while (j+<4)time_t tval; /定義時間函數(shù)struct tm *now;tval=time(NULL);now=lo

16、caltime(&tval);printf("生產(chǎn)者%01d:準(zhǔn)備生產(chǎn)n", i);data = rand()%8; /隨機(jī)產(chǎn)生一個0-8的隨機(jī)數(shù)P(empty);P(mutex); / 有地方，先鎖住緩沖區(qū)ptr = g_buf.end; / 記錄消費(fèi)的物品g_buf.end = (g_buf.end+1)%BUFFER_NUM; / 再移動緩沖區(qū)指針printf(" 時間：%d月: %02d日: %d:%02d:%02dn",now->tm_mon+1,now->tm_mday,now->tm_hour,now->tm

17、_min,now->tm_sec); /打印出時間printf(" 生產(chǎn)者%01d: 生產(chǎn) buf%d = %s ", i, ptr, thingdata); / 放好了完畢，釋放一個產(chǎn)品printf(" 生產(chǎn)者%01d: 生產(chǎn)完畢 n",i);/ 讓其他消費(fèi)者或生產(chǎn)者使用V(mutex);V(full);Sleep(rand()%10*1000); /等待一段時間0-9秒return 0;2、 消費(fèi)者線程 就是一個返回 DWORD（32位數(shù)據(jù)）的 API 函數(shù)DWORD WINAPI Consumer(LPVOID para)/LPVOID 是一

18、個沒有類型的指針，可以任意存儲long型指針/ i表示第i個消費(fèi)者int i = *(int *)para; /利用para傳入當(dāng)前消費(fèi)者的編號2int ptr; / 待消費(fèi)的內(nèi)容的指針int j=0;while (j+<4)time_t tval; /定義時間函數(shù)struct tm *now;tval=time(NULL);now=localtime(&tval);printf("消費(fèi)者%01d:準(zhǔn)備消費(fèi)n", i); / 等待產(chǎn)品P(full); / 有產(chǎn)品，先鎖住緩沖區(qū)P(mutex);/ 申請信號量，能申請，鎖住。ptr = g_buf.start;/

19、 再移動緩沖區(qū)指針g_buf.start = (g_buf.start+1)%BUFFER_NUM;/ 讓其他消費(fèi)者或生產(chǎn)者使用printf(" 時間：%d月: %02d日: %d:%02d:%02dn",now->tm_mon+1,now->tm_mday,now->tm_hour,now->tm_min,now->tm_sec);/打印出當(dāng)前時間printf(" 消費(fèi)者%01d: 消費(fèi) buf%d",i,g_buf.start);/ 消費(fèi)完畢，并釋放一個緩沖printf(" 消費(fèi)者%01d: buf%d 消費(fèi)完

20、畢n",i,g_buf.start);V(mutex);V(empty);Sleep(rand()%10*1000); /等待一段時間0-9秒return 0;3、其它API函數(shù)(1)Sleep函數(shù)對于指定的時間間隔掛起當(dāng)前的執(zhí)行線程。格式：VOID Sleep（DWORD dwMilliseconds ）;dwMilliseconds：定義掛起執(zhí)行線程的時間，以毫秒(ms)為單位。取值為0時，該線程將余下的時間片交給處于就緒狀態(tài)的同一優(yōu)先級的其他線程。若沒有處于就緒狀態(tài)的同一優(yōu)先級的其他線程，則函數(shù)立即返回，該線程繼續(xù)執(zhí)行。若取值為INFINITE則造成無限延遲。返回值：該函數(shù)沒有

21、返回值。(2) localtime(&tval)函數(shù)取得當(dāng)前的本地時間和日期。time_t tval; /定義時間函數(shù)struct tm *now;tval=time(NULL);now=localtime(&tval);輸出： （時：分：秒）printf(" 時間： %d:%02d:%02dn", now->tm_hour,now->tm_min,now->tm_sec);6、程序代碼及注釋:見附錄。三、實驗結(jié)果與總結(jié)1、實驗結(jié)果2、實驗總結(jié)在此次實驗中模擬PV 操作同步機(jī)構(gòu)，來解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問題。此次實驗完成了消費(fèi)者與生產(chǎn)者這兩個進(jìn)程

22、之間的同步協(xié)調(diào)問題。 值得注意的是解決進(jìn)程同步需要做哪些工作，如何利用信號量機(jī)制來解決進(jìn)程同步問題等等，這些問題其實我們在學(xué)習(xí)理論知識時都是很少思考的，因為感觸不深，所以學(xué)了一遍就過去了，但是在自己做實驗時才會發(fā)現(xiàn)哪些地方是我們需要考慮的，哪些地方是需要注意的，實驗給了我們實踐的機(jī)會，給了我們理論結(jié)合實際的機(jī) 會，從實驗中可以學(xué)到很多東西，不僅僅是書本上的東西這么簡單，更重要的是對待事情嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，對待任何事情都要一絲不茍，細(xì)節(jié)決定成敗！ 但發(fā)現(xiàn)代碼做出來后，對很多理論知識還是不知道。如老師驗收時問，什么是臨界區(qū)，一開始我把臨界區(qū)和臨界資源等同理解了，后來才明白，臨界區(qū)是一段代碼塊，只PV操作

23、間的那段代碼。所有覺得自己看書還是沒真正的看好書。看得很馬虎。 總之，通過本次課程設(shè)計，我弄明白了進(jìn)程間的通信機(jī)制，熟悉臨界資源、信號量及PV操作的定義與物理意義。了解進(jìn)程通信的方法。掌握進(jìn)程互斥與進(jìn)程同步的相關(guān)知識，掌握用信號量機(jī)制解決進(jìn)程間的同步和互斥問題，深刻理解生產(chǎn)者消費(fèi)者進(jìn)程同步問題。同時，深刻的理會到，學(xué)習(xí)的確應(yīng)該手腦并用，學(xué)做合一，應(yīng)該認(rèn)真仔細(xì)的去看書 在此感謝我們的老師，龔茗茗老師，帶病陪著我們做完課程設(shè)計，并細(xì)心為我們答疑解惑。再次感謝！參考文獻(xiàn)操作系統(tǒng)教程（第5版） 費(fèi)翔林 駱 斌 編制 高等教育出版社 C+面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計教程（第3版） 陳維興 林小茶 編制 清華大學(xué)出版

24、社 網(wǎng)絡(luò)查閱資料（百科、博客） 附錄主要代碼：#include <windows.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <time.h>typedef HANDLE Semaphore; / 信號量的Windows原型 句柄，唯一標(biāo)識#define P(S) WaitForSingleObject(S, INFINITE) / 定義c語言 stdio.h庫中的P操作#define V(S) ReleaseSemaphore(S, 1, NULL) / 定義c語言 stdio.h庫中的V操作

25、#define rate 1000#define CONSUMER_NUM 2 /* 消費(fèi)者個數(shù) */#define PRODUCER_NUM 2 /* 生產(chǎn)者個數(shù) */#define BUFFER_NUM 5 /* 緩沖區(qū)個數(shù) */char *thing8 = "11", "12", "13", "14", "21", "22", "23", "24" /生產(chǎn)和消費(fèi)的產(chǎn)品名稱struct Bufferint productBUFFER

26、_NUM; / 緩沖區(qū)int start, end; / 兩個指針 相當(dāng)于 in out 指針g_buf;Semaphore empty, full, mutex; /分別相當(dāng)于empty, full, mutex互斥信號量三個信號量/ 消費(fèi)者線程 就是一個返回 DWORD（32位數(shù)據(jù)）的 API 函數(shù)DWORD WINAPI Consumer(LPVOID para)/LPVOID 是一個沒有類型的指針，可以任意存儲long型指針/ i表示第i個消費(fèi)者int i = *(int *)para; /利用para傳入當(dāng)前消費(fèi)者的編號2int ptr; / 待消費(fèi)的內(nèi)容的指針int j=0;whi

27、le (j+<4)time_t tval;struct tm *now;tval=time(NULL);now=localtime(&tval);printf("消費(fèi)者%01d:準(zhǔn)備消費(fèi)n", i); / 等待產(chǎn)品P(full); / 有產(chǎn)品，先鎖住緩沖區(qū)P(mutex);/ 申請信號量，能申請，鎖住。ptr = g_buf.start;/ 再移動緩沖區(qū)指針g_buf.start = (g_buf.start+1)%BUFFER_NUM;/ 讓其他消費(fèi)者或生產(chǎn)者使用printf(" 時間：%d月: %02d日: %d:%02d:%02dn"

28、,now->tm_mon+1,now->tm_mday,now->tm_hour,now->tm_min,now->tm_sec);printf(" 消費(fèi)者%01d: 消費(fèi) buf%d",i,g_buf.start);/ 消費(fèi)完畢，并釋放一個緩沖printf(" 消費(fèi)者%01d: buf%d 消費(fèi)完畢n",i,g_buf.start);V(mutex);V(empty);Sleep(rand()%10*1000);return 0;/ 生產(chǎn)者線程DWORD WINAPI Producer(LPVOID para)int i

29、= *(int *)para - CONSUMER_NUM; int ptr;int data; / 產(chǎn)品int j=0;while (j+<4)time_t tval;struct tm *now;tval=time(NULL);now=localtime(&tval);printf("生產(chǎn)者%01d:準(zhǔn)備生產(chǎn)n", i);data = rand()%8;P(empty);/ 有地方，先鎖住緩沖區(qū)P(mutex);/ 記錄消費(fèi)的物品ptr = g_buf.end;/ 再移動緩沖區(qū)指針g_buf.end = (g_buf.end+1)%BUFFER_NUM;p

30、rintf(" 時間：%d月: %02d日: %d:%02d:%02dn",now->tm_mon+1,now->tm_mday,now->tm_hour,now->tm_min,now->tm_sec);printf(" 生產(chǎn)者%01d: 生產(chǎn) buf%d = %s ", i, ptr, thingdata); / 放好了完畢，釋放一個產(chǎn)品printf(" 生產(chǎn)者%01d: 生產(chǎn)完畢 n",i);/ 讓其他消費(fèi)者或生產(chǎn)者使用V(mutex);V(full);Sleep(rand()%10*1000);return 0;int main(int argc, char *argv)/