进程同步模拟设计生产者和消费者.docx
《进程同步模拟设计生产者和消费者.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《进程同步模拟设计生产者和消费者.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
进程同步模拟设计生产者和消费者
学号：
0121010340621
课程设计
题目
进程同步模拟设计
——生产者和消费者问题
学院
计算机科学与技术学院
专业
计算机科学与技术专业
班级
1006班
姓名
丁探
指导教师
刘洪星
2013
年
1
月
17
日
课程设计任务书
学生姓名：
丁探专业班级：
计算机1006
指导教师：
刘洪星工作单位：
计算机科学与技术学院
题目:
进程同步模拟设计——生产者和消费者问题
初始条件：
1．预备内容：
阅读操作系统的进程管理章节内容，对进程的同步和互斥，以及信号量机制度有深入的理解。
2．实践准备：
掌握一种计算机高级语言的使用。
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1．模拟用信号量机制实现生产者和消费者问题。
2．设计报告内容应说明：
⑴课程设计目的与功能；
⑵需求分析，数据结构或模块说明（功能与框图）；
⑶源程序的主要部分；
⑷运行结果与运行情况分析；
⑸自我评价与总结：
）你认为你完成的设计哪些地方做得比较好或比较出色；
）什么地方做得不太好，以后如何改正；
）从本设计得到的收获（在编写，调试，执行过程中的经验和教训）；
）完成本题是否有其他的其他方法（如果有，简要说明该方法）；
）对实验题的评价和改进意见，请你推荐设计题目。
时间安排：
设计安排一周：
周1、周2：
完成程序分析及设计。
周2、周3：
完成程序调试及测试。
周4、周5：
验收、撰写课程设计报告。
（注意事项：
严禁抄袭，一旦发现，抄与被抄的一律按0分记）
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
1、需求分析.......................4
2、功能设计.......................5
3、源程序..........................8
4、运行结果.......................13
5、总结.......................16
6、参考文献.......................16
生产者－消费者问题
1.需求分析
1.1问题描述：
一组生产者向一组消费者提供消息，它们共享一个有界缓冲区n，生产者向其中投放消息，消费者从中取得消息。
1.2规则：
⏹对于生产者进程：
产生一个数据，当要送入缓冲区时，要检查缓冲区是否已满，若未满，则可将数据送入缓冲区，并通知消费者进程；否则，等待；
⏹对于消费者进程：
当它去取数据时，要看缓冲区中是否有数据可取，若有则取走一个数据，并通知生产者进程，否则，等待。
⏹缓冲区是个临界资源，因此，诸进程对缓冲区的操作程序是一个共享临界区，所以，还有个互斥的问题。
1.3信号灯设置：
两个同步信号灯--
empty：
表示空缓冲区的数目，初值为有界缓冲区的大小n；
full：
表示满缓冲区（即信息）的数目，其初值为0；
一个互斥信号灯--
mutex：
互斥信号灯，初值为1。
1.4同步描述：
1.5程序描述：
main（）
{
intfull=0；/*满缓冲区的数目*/
intempty=n；/*空缓冲区的数目*/
intmutex=1；/*对有界缓冲区进行操作的互斥信号灯*/
cobegin
p1（）；p2（）；
coend
}
p1（）
{
while（生产未完成）
{
···
生产一个产品;
p（empty）;
p（mutex）;
送一个产品到有界缓冲区;
v（mutex）；
v（full）;
}
}
p2（）
{
while（还要继续消费）
{
p（full）；
p（mutex）；
从有界缓冲区中取产品；
v（mutex）；
v（empty）；
···
消费一个产品；
}
}
1.6C++语言程序模拟用信号量机制实现生产者和消费者问题：
本次课程设计主要通过C++模拟信号量制中各个进程，及各进程之间的互斥、同步关系，来实现生产者和消费者问题。
2.功能设计
2.1设计目的：
通过实验模拟生产者和消费者之间的关系，了解并掌握他们之间的关系及其原理。
由此增加对进程同步的问题的了解。
具体如下:
1）掌握基本的同步互斥算法，理解生产者和消费者模型；
2）了解windows中多线程（多进程）的并发执行机制，线程（进程）间的同步和互斥；
3）学习使用windows中基本的同步对象，掌握相应的API。
2.2设计功能:
利用模拟用信号量机制实现生产者和消费者问题：
通过用户控制取进程和放进程，反应生产者和消费者问题中所涉及的进程的同步与互斥。
2.3数据流程图：
1、生产者
2、消费者
2.4模块说明：
constunsignedshortSIZE_OF_BUFFER=10;//缓冲区长度
unsignedshortProductID=0;//产品号
unsignedshortConsumeID=0;//将被消耗的产品号
unsignedshortin=0;//产品进缓冲区时的缓冲区下标
unsignedshortout=0;//产品出缓冲区时的缓冲区下标
intg_buffer[SIZE_OF_BUFFER];//缓冲区是个循环队列
boolg_continue=true;//控制程序结束
HANDLEg_hMutex;//用于线程间的互斥
HANDLEg_hFullSemaphore;//当缓冲区满时迫使生产者等待
HANDLEg_hEmptySemaphore;//当缓冲区空时迫使消费者等待
DWORDWINAPIProducer（LPVOID）;//生产者线程
DWORDWINAPIConsumer（LPVOID）;//消费者线程
3、源程序
#include
#include
constunsignedshortSIZE_OF_BUFFER=20;//有界缓冲区长度
intg_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
unsignedshortProductID=0;//新生产出来的产品的产品号
unsignedshortConsumeID=0;//被消耗的产品的产品号
unsignedshortin=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
unsignedshortout=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
boolg_continue=1;//控制程序运行：
1表示继续运行，0表示停止运行
HANDLEg_hMutex;//线程间的互斥信号量
HANDLEg_hFullSemaphore;//资源信号量：
缓冲区满
HANDLEg_hEmptySemaphore;//资源信号量：
缓冲区空
DWORDWINAPIProducer（LPVOID）;//生产者线程
DWORDWINAPIConsumer（LPVOID）;//消费者线程
constunsignedshortPRODUCERS_COUNT=4;//生产者的个数
constunsignedshortCONSUMERS_COUNT=3;//消费者的个数
constunsignedshortTHREADS_COUNT=PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT;//总线程数
HANDLEhThreads[PRODUCERS_COUNT];//各线程的handle
DWORDproducerID[CONSUMERS_COUNT];//生产者线程的标识符
DWORDconsumerID[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
voidProduce（）
{
std:
:
cout<:
endl;
std:
:
cerr<<"生产一个产品:
"<<++ProductID;
std:
:
cout<:
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
voidAppend（）
{
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<:
endl;
std:
:
cout<<"缓冲区产品生产者/消费者"<:
endl;
//新产品放入缓冲区后，输出缓冲区当前的状态
for（inti=0;i{
//输出缓冲区下标
if（i<10）
std:
:
cout<else
std:
:
cout<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<:
endl;
}
}
/*----------------------把新生产的产品放入缓冲区结束------------------------*/
/*----------------------------消费一个产品开始------------------------------*/
voidConsume（）//消费一个产品
{
std:
:
cout<:
endl;
std:
:
cerr<<"消费一个产品:
"<std:
:
cout<:
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
voidTake（）
{
std:
:
cout<:
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<:
endl;
std:
:
cout<:
endl;
std:
:
cout<<"缓冲区产品生产者/消费者"<:
endl;
//取出一个产品后，输出缓冲区当前的状态
for（inti=0;i{
//输出缓冲区下标
if（i<10）
std:
:
cout<else
std:
:
cout<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<:
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
DWORDWINAPIProducer（LPVOIDlpPara）
{
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）;
}
return0;
}
/*-----------------------------生产者线程结束-------------------------------*/
/*-----------------------------消费者线程开始-------------------------------*/
//消费者线程
DWORDWINAPIConsumer（LPVOIDlpPara）
{
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）;
}
return0;
}
/*-----------------------------消费者线程结束-------------------------------*/
/*---------------------------创建生产者线程开始-----------------------------*/
voidcreatePT（）//创建生产者线程
{
for（inti=0;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-----------------------------*/
voidcreateCT（）//创建消费者线程
{
for（intj=0;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---------------------------------*/
voidmain（）
{
//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---------------------------------*/
4、运行结果：
5、总结：
本课程设计是学生学习完《计算机操作系统》课程后，进行的一次全面的综合训练，通过课程设计，让学生更好地掌握操作系统的原理及实现方法，加深对操作系统基础理论和重要算法的理解，加强学生的动手能力。
生产者-消费者问题是一个经典的进程同步问题，该问题最早由Dijkstra提出，用以演示他提出的信号量机制。
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。
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。
6、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.2004年5月
2、付国瑜杨武周敏.计算机操作系统原理及应用上机实验指导.重庆工学院计算机学院.2005年1月.
本科生课程设计成绩评定表
班级：
1006班 姓名：
丁探 学号：
0121010340621
序号
评分项目
满分
实得分
1
学习态度认真、遵守纪律
10
2
设计分析合理性
10
3
设计方案正确性、可行性、创造性
20
4
设计结果正确性
40
5
设计报告的规范性
10
6
设计验收
10
总得分/等级
评语：
注：
最终成绩以五级分制记。
优（90-100分）、良（80-89分）、中（70-79分）、
及格（60-69分）、60分以下为不及格
指导教师签名：
20年 月 日
升级会员 