操作系统-生产者和消费者.doc

《操作系统》课程设计

生产者和消费者的问题

系 院：计算机科学系
学生姓名：李锐
学 号：0804031002
专 业：网络工程
年 级：08
完成日期：2010年11月
指导教师：谢雪胜

一、课程设计的性质与任务
1． 掌握基本的同步与互斥算法，理解生产者消费者模型。
2． 学习使用Windows 2000/XP中基本的同步对象，掌握相关API的使用方法。
3． 了解Windows 2000/XP中多线程的并发执行机制，实现进程的同步与互斥。
二、课程设计的内容及其要求

1． 实验内容
以生产者/消费者模型为依据，在Windows 2000环境下创建一个控制台进程，在该进程中创建n个线程模拟生产者和消费者，实现进程(线程)的同步与互斥。
2． 实验要求
l 学习并理解生产者/消费者模型及其同步/互斥规则；
l 学习了解Windows同步对象及其特性；
l 熟悉实验环境，掌握相关API的使用方法；
l 设计程序，实现生产者/消费者进程(线程)的同步与互斥；
l 提交实验报告。

三、课程设计的时间安排
利用上机时间编写和调试程序代码 利用课余时间来分析实验的结果并完成实验报告

四、课程设计的实验环境
本实验是在硬件：普通PC386以上微机；一张软盘或优盘；软件：操作系统：Windows 2000/XP；开发语言： vC++ win2000＋VC6.0环境下实现的，利用Windows SDK编制实例程序。所以试验需要在windows下安装VC后进行。VC是一个集成开发环境，其中包含了Windows SDK所有工具和定义；所以安装了VC后就不用特意安装SDK了。
五、正文
1、实验程序的结构图（流程图）；
创建“生产者”线程

输入数据

缓冲区

是否
阻塞
N

创建“消费者”线程

Y

“生产者”等待，
“消费者”取出缓冲区数据

“生产者”生产产品后被唤醒

缓冲区是否为空

“消费者”阻塞
N
Y

2、数据结构及信号量定义的说明；

程序中的主要的结构
void Produce(void *p);
void Consume(void *p);
bool IfInOtherRequest(int);
int FindProducePositon();
int FindBufferPosition(int);
int main(void)

信号量定义如下：
#define MAX_BUFFER_NUM 10 //本程序允许的最大临界区数；
#define INTE_PER_SEC 1000 //秒到微秒的乘法因子；
#define MAX_THREAD_NUM 64 //本程序允许的生产和消费线程的总数；
int Buffer_Critical[MAX_BUFFER_NUM]; //缓冲区声明，用于存放产品；
HANDLE h_Thread[MAX_THREAD_NUM]; //用于存储每个线程句柄的数组；
ThreadInfo Thread_Info[MAX_THREAD_NUM]; //线程信息数组；
HANDLE empty_semaphore; //一个信号量；
HANDLE h_mutex; //一个互斥量；
DWORD n_Thread = 0; //实际的线程的数目；
DWORD n_Buffer_or_Critical; //实际的缓冲区或者临界区的数目；
HANDLE h_Semaphore[MAX_THREAD_NUM]; //生产者允许消费者开始消费的信号量；
3、实验的步骤；
(1) 打开VC，选择菜单项file->new,选择projects选项卡并建立一个名为" R_WP1"的win32 console applicatoin工程；创建时注意指定创建该工程的目录；
(2) 在工程中创建源文件" R_WP1.cpp"：选择菜单项project->add to project->files，在选择框中输入自己想要创建的文件名，这里是" R_WP1.cpp"；在接下来询问是否创建新文件时回答"yes"；然后通过Workspace->FileView->Source Files打开该文件，在其中编辑源文件并保存.
(3) 通过调用菜单命令项build->build all进行编译连接,可以在指定的工程目录下得到debug-> R_WP1.exe程序，然后把给定的test.txt文件存入该debug目录下，就可以在控制台进入该debug目录运行程序了。需要强调的是在创建数据文件时，由于涉及到文件格式问题，最好在记事本中手工逐个输入数据，而不要拷贝粘贴数据。

4、实验源程序关键算法；

1）创建生产者和消费者线程：

for(i =0;i< (int) n_Thread;i++){
if(Thread_Info[i].entity =='P')
h_Thread[i]= CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Produce),
&(Thread_Info[i]),0,NULL);
else
h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Consume),
&(Thread_Info[i]),0,NULL);
}

2）生产者进程

void Produce(void *p)
{
//局部变量声明；
DWORD wait_for_semaphore,wait_for_mutex,m_delay;
int m_serial;

//获得本线程的信息；
m_serial = ((ThreadInfo*)(p))->serial;
m_delay = (DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);

Sleep(m_delay);
//开始请求生产
printf("Producer %2d sends the produce require.\n",m_serial);

//确认有空缓冲区可供生产，同时将空位置数empty减1；用于生产者和消费者的同步；
wait_for_semaphore = WaitForSingleObject(empty_semaphore,-1);

//互斥访问下一个可用于生产的空临界区，实现写写互斥；
wait_for_mutex = WaitForSingleObject(h_mutex,-1);
int ProducePos = FindProducePosition();
ReleaseMutex(h_mutex);

//生产者在获得自己的空位置并做上标记后，以下的写操作在生产者之间可以并发；
//核心生产步骤中，程序将生产者的ID作为产品编号放入，方便消费者识别;
printf("Producer %2d begin to produce at position %2d.\n",m_serial,ProducePos);
Buffer_Critical[ProducePos] = m_serial;
printf("Producer %2d finish producing :\n ",m_serial);
printf(" position[ %2d ]:%3d \n" ,ProducePos,Buffer_Critical[ProducePos]);
//使生产者写的缓冲区可以被多个消费者使用，实现读写同步；
ReleaseSemaphore(h_Semaphore[m_serial],n_Thread,NULL);
}

3）消费者进程

void Consume(void * p)
{
//局部变量声明；
DWORD wait_for_semaphore,m_delay;
int m_serial,m_requestNum; //消费者的序列号和请求的数目；
int m_thread_request[MAX_THREAD_NUM];//本消费线程的请求队列；

//提取本线程的信息到本地；
m_serial = ((ThreadInfo*)(p))->serial;
m_delay = (DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);
m_requestNum = ((ThreadInfo *)(p))->n_request;
for (int i = 0;i<m_requestNum;i++)
m_thread_request[i] = ((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i];

Sleep(m_delay);
//循环进行所需产品的消费
for(i =0;i<m_requestNum;i++){

//请求消费下一个产品
printf("Consumer %2d request to consume %2d product\n",m_serial,m_thread_request[i]);
//如果对应生产者没有生产，则等待；如果生产了,允许的消费者数目-1；实现了读写同步；
wait_for_semaphore=WaitForSingleObject(h_Semaphore[m_thread_request[i]],-1);

//查询所需产品放到缓冲区的号
int BufferPos=FindBufferPosition(m_thread_request[i]);

//开始进行具体缓冲区的消费处理，读和读在该缓冲区上仍然是互斥的；
//进入临界区后执行消费动作；并在完成此次请求后，通知另外的消费者本处请求已
//经满足；同时如果对应的产品使用完毕，就做相应处理；并给出相应动作的界面提
//示；该相应处理指将相应缓冲区清空，并增加代表空缓冲区的信号量；
EnterCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]);
printf("Consumer%2d begin to consume %2d product \n",m_serial,m_thread_request[i]);
((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i] =-1;
if(!IfInOtherRequest(m_thread_request[i])){
Buffer_Critical[BufferPos] = -1;//标记缓冲区为空；
printf("Consumer%2d finish consuming %2d:\n ",m_serial,m_thread_request[i]);
printf(" position[ %2d ]:%3d \n" ,BufferPos,Buffer_Critical[BufferPos]);
ReleaseSemaphore(empty_semaphore,1,NULL);
}
else{
printf("Consumer %2d finish consuming product %2d\n ",m_serial,m_thread_request[i]);
}
//离开临界区
LeaveCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]);

}
}
5、实验运行图；

其中实验数据是：
3
1 P 5
2 P 4
3 P 2
4 C 3 1 3 2

6、实验结果分析；
1、在每个程序中坐须先做P(mutex)，后做V(mutex)，二者要成对出现。夹在二者中间的代码段就是该进程的临界区。
2、对同步信号量full和empty的P，V操作同样必须成对出现，但它们分别位于不同的程序中。
3、无论在生产者进程中还是在消费者进程中，两个P操作的次序不能颠倒:应先执行同 步信号量的P操作，然后执行互斥信号量的P操作。否则可能造成进程死锁。

六、 结论（应当准确、完整、明确精练；也可以在结论或讨论中提出建议、设想、尚待解决问题等。）
通过这次实验了解到生产者-消费者问题是一个经典的进程同步问题，以及在其中使用信号量机制，生产者与消费者问题要求我们设计在同一个进程地址空间内执行的两个线程。
生产者线程生产物品，然后将物品放置在一个空缓冲区中供消费者线程消费，而消费者线程从缓冲区中获得物品，然后释放缓冲区。当生产者线程生产物品时，如果没有空缓冲区可用，那么生产者线程必须等待消费者线程释放出一个空缓冲区，当消费者线程消费物品时，如果没有满的缓冲区，那么消费者线程将被阻塞，直到新的物品被生产出来。
这次生产者和消费者问题的课程设计，不但加深了我对操作系统中多线程机制的理解和认识，更让我认识到知识的掌握，仅靠学习理论知识是远远不够的，要与实际动手操作相结合才能更好的理解和分析问题。
七、 参考文献
【1】汤子瀛等.计算机操作系统.西安电子科技大学出版社.2007年2月
【2】张尧学等编著，计算机操作系统教程，清华出版社。2002.2
【3】严蔚敏，吴伟民编著，数据结构，清华大学出版社。2002
【4】陈向群编著，操作系统教程，北京大学出版社，2001.07
【5】郑莉等编著，C++语言设计。北京：清华大学出版社.2000
八、 指导教师评语

签名：
年 月 日

课程设计成绩

附件：原程序代码
#include<windows.h>
#include<fstream.h>
#include<stdio.h>
#include<string>
#include<conio.h>
//定义一些常量；
//本程序允许的最大临界区数；
#define MAX_BUFFER_NUM 10
//秒到微秒的乘法因子；
#define INTE_PER_SEC 1000
//本程序允许的生产和消费线程的总数；
#define MAX_THREAD_NUM 64

//定义一个结构，记录在测试文件中指定的每一个线程的参数
struct ThreadInfo
{
int serial; //线程序列号
char entity; //是P还是C
double delay; //线程延迟
int thread_request[MAX_THREAD_NUM]; //线程请求队列
int n_request; //请求个数
};

//全局变量的定义

//临界区对象的声明,用于管理缓冲区的互斥访问；
CRITICAL_SECTION PC_Critical[MAX_BUFFER_NUM];
int Buffer_Critical[MAX_BUFFER_NUM]; //缓冲区声明，用于存放产品；
HANDLE h_Thread[MAX_THREAD_NUM]; //用于存储每个线程句柄的数组；
ThreadInfo Thread_Info[MAX_THREAD_NUM]; //线程信息数组；
HANDLE empty_semaphore; //一个信号量；
HANDLE h_mutex; //一个互斥量；
DWORD n_Thread = 0; //实际的线程的数目；
DWORD n_Buffer_or_Critical; //实际的缓冲区或者临界区的数目；
HANDLE h_Semaphore[MAX_THREAD_NUM]; //生产者允许消费者开始消费的信号量；

//生产消费及辅助函数的声明
void Produce(void *p);
void Consume(void *p);
bool IfInOtherRequest(int);
int FindProducePositon();
int FindBufferPosition(int);

int main(void)
{
//声明所需变量；
DWORD wait_for_all;
ifstream inFile;

//初始化缓冲区；
for(int i=0;i< MAX_BUFFER_NUM;i++)
Buffer_Critical[i] = -1;
//初始化每个线程的请求队列；
for(int j=0;j<MAX_THREAD_NUM;j++){
for(int k=0;k<MAX_THREAD_NUM;k++)
Thread_Info[j].thread_request[k] = -1;
Thread_Info[j].n_request = 0;
}
//初始化临界区；
for(i =0;i< MAX_BUFFER_NUM;i++)
InitializeCriticalSection(&PC_Critical[i]);

//打开输入文件，按照规定的格式提取线程等信息；
inFile.open("test.txt");
//从文件中获得实际的缓冲区的数目；
inFile >> n_Buffer_or_Critical;
inFile.get();
printf("输入文件是:\n");
//回显获得的缓冲区的数目信息；
printf("%d \n",(int) n_Buffer_or_Critical);
//提取每个线程的信息到相应数据结构中；
while(inFile){
inFile >> Thread_Info[n_Thread].serial;
inFile >> Thread_Info[n_Thread].entity;
inFile >> Thread_Info[n_Thread].delay;
char c;
inFile.get(c);
while(c!='\n'&& !inFile.eof()){
inFile>> Thread_Info[n_Thread].thread_request[Thread_Info[n_Thread].n_request++];
inFile.get(c);
}
n_Thread++;
}

//回显获得的线程信息，便于确认正确性；
for(j=0;j<(int) n_Thread;j++){
int Temp_serial = Thread_Info[j].serial;
char Temp_entity = Thread_Info[j].entity;
double Temp_delay = Thread_Info[j].delay;
printf(" \n thread%2d %c %f ",Temp_serial,Temp_entity,Temp_delay);
int Temp_request = Thread_Info[j].n_request;
for(int k=0;k<Temp_request;k++)
printf(" %d ", Thread_Info[j].thread_request[k]);
cout<<endl;
}
printf("\n\n");

//创建在模拟过程中几个必要的信号量
empty_semaphore=CreateSemaphore(NULL,n_Buffer_or_Critical,n_Buffer_or_Critical,
"semaphore_for_empty");
h_mutex = CreateMutex(NULL,FALSE,"mutex_for_update");

//下面这个循环用线程的ID号来为相应生产线程的产品读写时所
//使用的同步信号量命名；
for(j=0;j<(int)n_Thread;j++){
std::string lp ="semaphore_for_produce_";
int temp =j;
while(temp){
char c = (char)(temp%10);
lp+=c;
temp/=10;
}
h_Semaphore[j+1]=CreateSemaphore(NULL,0,n_Thread,lp.c_str());
}

//创建生产者和消费者线程；
for(i =0;i< (int) n_Thread;i++){
if(Thread_Info[i].entity =='P')
h_Thread[i]= CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Produce),
&(Thread_Info[i]),0,NULL);
else
h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Consume),
&(Thread_Info[i]),0,NULL);
}

//主程序等待各个线程的动作结束；
wait_for_all = WaitForMultipleObjects(n_Thread,h_Thread,TRUE,-1);
printf(" \n \nALL Producer and consumer have finished their work. \n");
printf("Press any key to quit!\n");
_getch();
return 0;
}

//确认是否还有对同一产品的消费请求未执行；
bool IfInOtherRequest(int req)
{
for(int i=0;i<n_Thread;i++)
for(int j=0;j<Thread_Info[i].n_request;j++)
if(Thread_Info[i].thread_request[j] == req)
return TRUE;

return FALSE;
}

//找出当前可以进行产品生产的空缓冲区位置；
int FindProducePosition()
{
int EmptyPosition;
for (int i =0;i<n_Buffer_or_Critical;i++)
if(Buffer_Critical[i] == -1){
EmptyPosition = i;
//用下面这个特殊值表示本缓冲区正处于被写状态；
Buffer_Critical[i] = -2;
break;
}
return EmptyPosition;
}

//找出当前所需生产者生产的产品的位置；
int FindBufferPosition(int ProPos)
{
int TempPos;
for (int i =0 ;i<n_Buffer_or_Critical;i++)
if(Buffer_Critical[i]==ProPos){
TempPos = i;
break;
}
return TempPos;
}

//生产者进程
void Produce(void *p)
{
//局部变量声明；
DWORD wait_for_semaphore,wait_for_mutex,m_delay;
int m_serial;

//获得本线程的信息；
m_serial = ((ThreadInfo*)(p))->serial;
m_delay = (DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);

Sleep(m_delay);
//开始请求生产
printf("Producer %2d sends the produce require.\n",m_serial);

//确认有空缓冲区可供生产，同时将空位置数empty减1；用于生产者和消费者的同步；
wait_for_semaphore = WaitForSingleObject(empty_semaphore,-1);

//互斥访问下一个可用于生产的空临界区，实现写写互斥；
wait_for_mutex = WaitForSingleObject(h_mutex,-1);
int ProducePos = FindProducePosition();
ReleaseMutex(h_mutex);

//生产者在获得自己的空位置并做上标记后，以下的写操作在生产者之间可以并发；
//核心生产步骤中，程序将生产者的ID作为产品编号放入，方便消费者识别;
printf("Producer %2d begin to produce at position %2d.\n",m_serial,ProducePos);
Buffer_Critical[ProducePos] = m_serial;
printf("Producer %2d finish producing :\n ",m_serial);
printf(" position[ %2d ]:%3d \n" ,ProducePos,Buffer_Critical[ProducePos]);
//使生产者写的缓冲区可以被多个消费者使用，实现读写同步；
ReleaseSemaphore(h_Semaphore[m_serial],n_Thread,NULL);
}

//消费者进程
void Consume(void * p)
{
//局部变量声明；
DWORD wait_for_semaphore,m_delay;
int m_serial,m_requestNum; //消费者的序列号和请求的数目；
int m_thread_request[MAX_THREAD_NUM];//本消费线程的请求队列；

//提取本线程的信息到本地；
m_serial = ((ThreadInfo*)(p))->serial;
m_delay = (DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);
m_requestNum = ((ThreadInfo *)(p))->n_request;
for (int i = 0;i<m_requestNum;i++)
m_thread_request[i] = ((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i];

Sleep(m_delay);
//循环进行所需产品的消费
for(i =0;i<m_requestNum;i++){

//请求消费下一个产品
printf("Consumer %2d request to consume %2d product\n",m_serial,m_thread_request[i]);
//如果对应生产者没有生产，则等待；如果生产了,允许的消费者数目-1；实现了读写同步；
wait_for_semaphore=WaitForSingleObject(h_Semaphore[m_thread_request[i]],-1);

//查询所需产品放到缓冲区的号
int BufferPos=FindBufferPosition(m_thread_request[i]);

//开始进行具体缓冲区的消费处理，读和读在该缓冲区上仍然是互斥的；
//进入临界区后执行消费动作；并在完成此次请求后，通知另外的消费者本处请求已
//经满足；同时如果对应的产品使用完毕，就做相应处理；并给出相应动作的界面提
//示；该相应处理指将相应缓冲区清空，并增加代表空缓冲区的信号量；
EnterCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]);
printf("Consumer%2d begin to consume %2d product \n",m_serial,m_thread_request[i]);
((ThreadInfo*)(p))->thread_request[i] =-1;
if(!IfInOtherRequest(m_thread_request[i])){
Buffer_Critical[BufferPos] = -1;//标记缓冲区为空；
printf("Consumer%2d finish consuming %2d:\n ",m_serial,m_thread_request[i]);
printf(" position[ %2d ]:%3d \n" ,BufferPos,Buffer_Critical[BufferPos]);
ReleaseSemaphore(empty_semaphore,1,NULL);
}
else{
printf("Consumer %2d finish consuming product %2d\n ",m_serial,m_thread_request[i]);
}
//离开临界区
LeaveCriticalSection(&PC_Critical[BufferPos]);

}
}