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(完整版)大工19春《操作系统》大作业答案

网络教育学院
《操作系统》课 程 设 计

题 目： 进程同步与互斥 生产者—消费者问题

学习中心：
层 次：
专 业: 计算机网络技术
年 级: 年 秋 季
学 号：
学 生：
辅导教师：
完成日期： 年 月 日

题目四:进程同步与互斥 生产者—消费者问题
设计思路：
生产者—消费者问题是一种同步问题的抽象描述.
计算机系统中的每个进程都可以消费或生产某类资源。当系统中某一进程使用某一资源时，可以看作是消耗，且该进程称为消费者。
而当某个进程释放资源时，则它就相当一个生产者。
流程（原理）图：
1、生产者

2、消费者

基本内容：
通过一个有界缓冲区(用数组来实现，类似循环队列）把生产者和消费者联系起来。假定生产者和消费者的优先级是相同的,只要缓冲区未满,生产者就可以生产产品并将产品送入缓冲区.类似地，只要缓冲区未空，消费者就可以从缓冲区中去走产品并消费它。应该禁止生产者向满的缓冲区送入产品，同时也应该禁止消费者从空的缓冲区中取出产品，这一机制有生产者线程和消费者线程之间的互斥关系来实现。为解决生产者/消费者问题，应该设置两个资源信号量，其中一个表示空缓冲区的数目，用g_hFullSemaphore表示,其初始值为有界缓冲区的大小SIZE_OF_BUFFER;另一个表示缓冲区中产品的数目，用g_hEmptySemaphore表示，其初始值为0。另外，由于有界缓冲区是一个临界资源，必须互斥使用,所以还需要再设置一个互斥信号量g_hMutex，起初值为1。
在生产者/消费者问题中，信号量实现两种功能.首先，它是生产产品和消费产品的计数器，计数器的初始值是可利用的资源数目（有界缓冲区的长度)。其次，它是确保产品的生产者和消费者之间动作同步的同步器。
生产者要生产一个产品时，首先对资源信号量g_hFullSemaphore和互斥信号量g_hMutex进行P操作，申请资源。如果可以通过的话，就生产一个产品，并把产品送入缓冲区.然后对互斥信号量g_hMutex和资源信号量g_hEmptySemaphore进行V操作，释放资源。
消费者要消费一个产品时,首先对资源信号量g_hEmptySemaphore和互斥信号量g_hMutex进行P操作，申请资源。如果可以通过的话，就从缓冲区取出一个产品并消费掉。然后对互斥信号量g_hMutex和资源信号量g_hFullSemaphore进行V操作，释放资源.
如果缓冲区中已经没有可用资源，就把申请资源的进程添加到等待队列的队尾。如果有一个资源被释放，在等待队列中的第一个进程被唤醒并取得这个资源的使用权.
源代码:
//本程序于2005。12。25在VC++6.0下运行通过
//系统环境:Windows XP
#include <windows.h〉
＃include <iostream>
const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 20；//有界缓冲区长度
int g_buffer[SIZE_OF_BUFFER]；//开辟缓冲区，用数组表示，可以看成是一个循环队列
unsigned short ProductID = 0;//新生产出来的产品的产品号
unsigned short ConsumeID = 0;//被消耗的产品的产品号
unsigned short in = 0；//产品进缓冲区时的缓冲区下标，用于记录生产者的指针位置
unsigned short out = 0；//产品出缓冲区时的缓冲区下标，用于记录消费者的指针位置
bool g_continue = 1;//控制程序运行：1表示继续运行，0表示停止运行
HANDLE g_hMutex；//线程间的互斥信号量
HANDLE g_hFullSemaphore；//资源信号量:缓冲区满
HANDLE g_hEmptySemaphore；//资源信号量：缓冲区空
DWORD WINAPI Producer(LPVOID）;//生产者线程
DWORD WINAPI Consumer（LPVOID)；//消费者线程
const unsigned short PRODUCERS_COUNT=4；//生产者的个数
const unsigned short CONSUMERS_COUNT=3；//消费者的个数
const unsigned short THREADS_COUNT=PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT;//总线程数
HANDLE hThreads[PRODUCERS_COUNT];//各线程的handle
DWORD producerID［CONSUMERS_COUNT]；//生产者线程的标识符
DWORD consumerID[THREADS_COUNT];//消费者线程的标识符
/＊-——-—---——-———-生产一个产品开始-----——-————-——--*/
//生产一个产品，输出其ID号
void Produce(）
{
std：：cout〈〈std::endl；
std：:cerr<<”生产一个产品: ”〈〈++ProductID；
std:：cout〈〈std::endl;
｝
/＊-——-——-—-—生产一个产品结束---—--———---—-——*/

/＊-—-—---—-把新生产的产品放入缓冲区开始---—--———-——*/
//把新生产的产品放入缓冲区
void Append（）
｛
std：:cerr<<”把生产的产品送入缓冲区”；
g_buffer[in]=ProductID；
in=（in+1）%SIZE_OF_BUFFER；
std：:cerr〈<std::endl；
std：：cout<〈”缓冲区 产品 生产者/消费者”<〈std：：endl；
//新产品放入缓冲区后，输出缓冲区当前的状态
for（int i=0;i〈SIZE_OF_BUFFER;++i)
｛
//输出缓冲区下标
if （i〈10）
std：:cout〈<i<<” "〈<g_buffer[i]；
else
std：:cout〈<i〈<” ”<〈g_buffer[i］；
if（i==in)
｛
if(g_buffer［i]〈10)
std：：cout<〈" ";
else
std：:cout〈〈” ";
std::cout〈〈” <-— 生产者”;//输出生产者的指针位置
｝
if（i==out)
{
if(g_buffer[i］〈10）
std：:cout<〈" ”；
else
std：：cout<〈" ";
std：:cout<〈” 〈-— 消费者";//输出消费者的指针位置
}
std：:cout<<std：：endl;
}
}
/*-————---—---把新生产的产品放入缓冲区结束——-—--—-——----*/
/＊-—---—--——-—-—消费一个产品开始--—----————-------＊/
void Consume（）//消费一个产品
｛
std::cout<<std::endl；
std：：cerr〈<”消费一个产品： "〈〈ConsumeID;
std::cout〈〈std::endl；
}
/*—-—--—---——消费一个产品结束—-—-———--——-————--*/

/＊———-——--—-—从缓冲区中取出一个产品开始—-———---——-—-*/
//从缓冲区中取出一个产品
void Take(）
{
std::cout〈〈std::endl;
std：:cerr<<"从缓冲区取出一个产品”;
ConsumeID=g_buffer［out］;
out=（out+1)％SIZE_OF_BUFFER；
std:：cerr〈〈std：：endl;
std::cout〈<std：:endl;
std:：cout<<”缓冲区 产品 生产者/消费者"〈〈std：：endl；
//取出一个产品后，输出缓冲区当前的状态
for（int i=0;i〈SIZE_OF_BUFFER；++i）
{
//输出缓冲区下标
if（i〈10）
std：：cout<〈i<<" ”〈〈g_buffer［i］；
else
std：：cout<<i〈<" "〈<g_buffer[i］;
if(i==in）
{
if（g_buffer［i］〈10）
std：：cout<<" "；
else
std::cout<〈" "；
std：：cout<〈” 〈-- 生产者”;//输出生产者的指针位置
}
if(i==out）
｛
if（g_buffer[i］<10）
std：：cout〈〈” "；
else
std：:cout〈〈" ”；
std：:cout<〈” 〈-— 消费者”；//输出消费者的指针位置
}
std：:cout〈〈std：：endl;
｝
｝
/＊-—-—---———————从缓冲区中取出一个产品结束-——----——-——＊/

/*----—-——————生产者线程开始-——————-—-——-—-—＊/
//生产者线程
DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara）
｛
while（g_continue）
{
//资源信号量的P操作
WaitForSingleObject（g_hFullSemaphore,INFINITE）；
//互斥信号量的P操作
WaitForSingleObject（g_hMutex,INFINITE)；
//生产一个产品
Produce（）;
//把新生产的产品放入缓冲区
Append（）；
Sleep(2000）;
//互斥信号量的V操作
ReleaseMutex（g_hMutex)；
//资源信号量的V操作
ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore，1，NULL)；
｝
return 0;
｝
/*---——--—-生产者线程结束-—---——-—-——---—-*/

/*--—-—--—-—-消费者线程开始--—-———-——-——-*/
//消费者线程
DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara)
{
while(g_continue)
{
//资源信号量的P操作
WaitForSingleObject（g_hEmptySemaphore，INFINITE）；
//互斥信号量的P操作
WaitForSingleObject（g_hMutex,INFINITE);
//从缓冲区中取出一个产品
Take（)；
//消费一个产品
Consume()；
Sleep(2000)；
//互斥信号量的V操作
ReleaseMutex（g_hMutex）；
//资源信号量的V操作
ReleaseSemaphore（g_hFullSemaphore，1,NULL)；
｝
return 0；
}
/＊———-—--消费者线程结束-----————--——---＊/

/＊-———----创建生产者线程开始-—---——-----—-＊/
void createPT（）//创建生产者线程
{
for(int i=0；i<PRODUCERS_COUNT；++i)
{
hThreads[i]=CreateThread(NULL,0,Producer，NULL，0，＆producerID［i]）;
if（hThreads[i]==NULL)
g_continue=0；
}
｝
/*-——---——-创建生产者线程结束-—---—--———-—-—--——*/

/*--——----创建消费者线程开始----—-——-—----————-*/
void createCT(）//创建消费者线程
｛
for （int j=0;j<CONSUMERS_COUNT；++j)
{
hThreads［PRODUCERS_COUNT+j]=CreateThread（NULL,0,Consumer，NULL，0,&consumerID[j］）;
if (hThreads[j]==NULL）
g_continue=0；
｝
｝
/＊——-———----—-——创建消费者线程结束-——--—----＊/

/＊--------—主函数开始-—-———-———-＊/
void main(）
{
//显示程序提示信息
info(）；
//创建互斥信号量
g_hMutex=CreateMutex（NULL,FALSE,NULL）；
//创建资源信号量
g_hFullSemaphore=CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER—1,NULL)；
g_hEmptySemaphore=CreateSemaphore(NULL，0，SIZE_OF_BUFFER-1，NULL);
//创建生产者线程
createPT（);
//创建消费者线程
createCT()；
//不按回车键的话程序会一直运行下去
while(g_continue)
//按回车键终止程序
if(getchar()）
g_continue = 0;
}
/＊-—————--——————主函数结束——————---—-*/