进程同步模拟设计生产者和消费者.docx
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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
目录
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