生产者与消费者算法实现.docx
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生产者与消费者算法实现
课程设计说明书
题目:
生产者与消费者算法模拟
院系：
计算机科学与工程
专业班级：
信息安全（xxxx）班
学号：
201130xxxx
学生姓名：
xxxx
指导教师：
xxxx
2013年xx月xx日
xxxx大学课程设计（论文）任务书
计算机院系计算机教研室
学号
20113xxxxx
学生姓名
xxxx
专业（班级）
xxxxx
设计题目
生产者与消费者算法模拟
设
计
技
术
参
数
（1）系统作业或进程的数目；
（2）系统资源的种类和数目；
（3）系统作业或进程的对每类资源的最大需求数目；
（4）系统作业或进程已分配的资源数目。
设
计
要
求
（1）检查系统安全状态：
根据系统作业或进程的对每类资源的最大需求数目、已分配的资源数目等计算是否存在安全序列。
（2）检查系统是否可以继续某个进程资源分配请求。
工
作
量
要求设计说明书的字数在3000字以上。
工
作
计
划
2012.11.25-11.26根据课程设计的要求，查找相关资料，完成需求分析；
2012.11.26-11.27进行系统的概要设计；
2012.11.27-11.28进行系统的详细设计和源代码的书写；
2013.11.29-11.30对系统进行调试分析，写出课程设计报告。
参
考
资
料
[1]CayS.Horstmann,GaryCornell编著.JAVA核心技术卷I.北京：
机械工业出版社,2008.
[2]郑莉编著.Java语言程序设计（第二版）.北京：
清华大学出版社,2011.
[3]吕国英等编著.算法设计与分析.北京：
清华大学出版社，2009.
[4]马小军等编.软件工程项目案例与实践指导.北京：
清华大学出版社，2013.
[5]汤子瀛等编著.计算机操作系统.西安：
西安电子科技大学出版社,2011.
指导教师签字
教研室主任签字
2012年xx月xx日
指导教师评语：
成绩：
指导教师：
年月日
xxxx大学课程设计（论文）成绩评定表
1.问题描述
1.1目的
掌握信号的使用方法和P、V操作的定义，掌握使用P、V操作实现进程之间同步与互斥的方法，加深对进程同步互斥概念的理解。
1.2设计要求
设计一程序，由一个进程创建三个子进程，三个子进程一个是生产者进程，两个是消费者进程，且要求：
●父子进程都使用父进程创建的共享存储区进行通信，由生产者进程将一个数组中的十个数值发送到由5个缓冲区组成的共享内存中；
●两个消费者进程轮流接收并输出这十个数值，同时将两个消费者进程读出的数值进行累加求各和。
●考虑生产者进程生产的速度和消费者进程速度。
2.需求分析
生产者--消费者问题是一个著名的进程同步问题。
既然有进程间的同步，也就必将涉及到进程之间的互斥与通信问题，对于这个问题的解决有着很强的现实意义。
它的现实意义在于可以类比到计算机中对于临界资源的互斥共享。
生产者与消费者就好比是对计算机临界资源访问的程序或用户，而临界资源如打印机、磁带机等设备。
3.概要设计
3.1程序流程图
说明：
图3.1程序流程图所示，首先生产者与消费者线程创建，便就去访问缓冲区。
对于生产者若缓冲区没有被其他线程访问，且缓冲区未满则生产数据存放到缓冲区，若其中有一条件没有满足则生产者线程进入阻塞状态。
而对于消费者同样也需要缓冲区没有被其他线程访问，但同时要求缓冲区未空才能从缓冲区取数据，若其中有一个条件为满足则同样进入阻塞状态。
图3.1程序流程图
4.详细设计
4.1程序框架
4.1.1生产者与消费者的父类
publicclassSuperThreadextendsJPanel{
//定义缓冲区的读写锁
privateLockbufferLock;
//共享缓冲区
publicstaticIntBufferbuffer=IntBuffer.allocate（5）;
//生产者数组
publicintarray[]={1,5,6,9,8,11,13,10,7,3};
//生产者执行的次数
publicstaticintcount=0;
//两个生产者取出数据的累加
publicstaticintconsumerSum=0;
//记录消费者取数次数
publicstaticintconsumerCount=0;
//存放从缓冲区中取得的数据
privatestaticintconsumerData;
//定义线程名
publicStringnameString;
//线程互斥信号，值为0表示生产者进程，值为1表示消费者进程
publicstaticintmutex=0;
/*构造函数*/
publicSuperThread（Stringname）{
//主要完成一些变量的初始化
}
/*获得线程名*/
publicStringgetNameString（）{
returnnameString;
}
/*设置线程名*/
publicvoidsetNameString（StringnameString）{
this.nameString=nameString;
}
/*获得互斥信号*/
publicstaticintgetMutex（）{
returnmutex;
}
/*设置互斥信号*/
publicstaticvoidsetMutex（intmutex）{
SuperThread.mutex=mutex;
}
/*判断是否有线程访问缓冲区，没有则对线程进行加锁*/
publicbooleanwait（intmutex）{
if（mutex==1）{
returnfalse;
}else{
returntrue;
}
}
/*释放进程操作完成信号，其实本质就是修改mutex的信号值*/
publicstaticvoidsignal（）{
mutex=0;
}
/*判断缓冲区是否为空*/
publicbooleanisBufferEmpty（）{
//根据缓冲区中是否有0存在来判断是否为空
//若0的个数为5则为空，反之则不为空
}
/*判断缓冲区是否为满*/
publicbooleanisBufferFull（）{
//根据缓冲区中是否有0存在来判断是否为空
//若0的个数为0则为满，反之则不满
}
/*消费数，即在缓冲区中取数*/
publicvoidconsume（）{
if（wait（mutex）&&!
isBufferEmpty（））{//判断是否访问缓冲区
//加锁
bufferLock.lock（）;
try{
//设置互斥信号
//从缓冲区取数
//将取数后的缓冲区置0
//释放互斥信号
}finally{
//解锁
bufferLock.unlock（）;
}
}
}
/*消费者取得缓冲区数据*/
publicintgetBufferData（intindex）{
//完成取数操作
returndata;
}
/*生产数，即向缓冲区中存数*/
publicvoidproduce（）{
if（wait（mutex）&&!
isBufferFull（））{//判断是否访问缓冲区
bufferLock.lock（）;//加锁
try{
//设置互斥信号
//向缓冲区存数
//释放互斥信号
}finally{
//解锁
bufferLock.unlock（）;
}
}
}
/*生产者向公共缓冲区放数据*/
publicvoidputBufferData（intindex）{
//完成想缓冲区存数操作
}
}
4.1.2生产者类
publicclassProducerextendsSuperThreadimplementsRunnable{
//生产者休眠时间
privateintproducerDelay;
/*生产者构造函数*/
publicProducer（Stringname）{
super（name）;
}
/*获得生产者休眠时间*/
publicintgetProducerDelay（）{
returnproducerDelay;
}
/*设置生产者休眠时间*/
publicvoidsetProducerDelay（intproducerDelay）{
this.producerDelay=producerDelay;
}
/*线程中的run函数，线程启动时默认调用的函数*/
@Override
publicvoidrun（）{
//线程启动后向缓冲区存数操作
}
}
4.1.3消费者类
publicclassConsumerextendsSuperThreadimplementsRunnable{
/*消费者休眠时间*/
privateintconsumerDelay;
/*消费者构造函数*/
publicConsumer（Stringname）{
super（name）;
}
/*获得消费者休眠时间*/
publicintgetConsumerDelay（）{
returnconsumerDelay;
}
/*设置消费者休眠时间*/
publicvoidsetConsumerDelay（intconsumerDelay）{
this.consumerDelay=consumerDelay;
}
/*线程中的run函数，线程启动时默认调用的函数*/
@Override
publicvoidrun（）{
while（true）{
//线程启动后向缓冲区取数操作
}
}
4.1.4主程序入口
主函数main（String[]args）{
//生产者与消费者对象定义producer、consumer1、consumer2
//设置休眠参数,如1000、2000、2500
//创建线程producerThread、consumer1Thread、consumer2Thread
//启动线程producerThread.start（）、consumer1Thread.start（）、
//consumer2Thread.start（）;
}
4.2基本算法分析
4.2.1wait（mutex）与signal（）数值信号
数值信号wait（mutex）主要是通过整型值mutex的设置来表示缓冲区是否已被访问，具体过程为：
当有线程需要访问缓冲区时，先确定wait（mutex）信号值，若mutex的值为1则wait（mutex）为真，便可进行下一步操作，若mutex的值为0则wait（mutex）为不为真，该线程阻塞。
当线程完成对缓冲区的访问后需要调用signal（）信号对信号值mutex进行释放，释放后mutex的值为1，以便其他线程能够访问缓冲区。
wait（mutex）与signal（）的主要代码如下：
publicbooleanwait（intmutex）{//wait（mutex）信号
if（mutex==1）{
returnfalse;
}else{
returntrue;
}
}
publicstaticvoidsignal（）{//signal（）信号
mutex=0;
}
4.2.2isBufferEmpty（）与isBufferFull（）信号
对于以上所述的wait（mutex）信号还不足以控制线程之间的同步与互斥，还必须使用到isBufferEmpty（）与isBufferFull（）两个信号。
对于生产者要用到信号isBufferFull（）来判断缓冲区是否为满，当wait（mutex）型号值为真且isBufferFull（）信号值不为真时，生产者线程才能对缓冲区进行存数操作，否则就阻塞等待机会。
而对于消费者同样也要用到辅助信号isBufferEmpty（）来判断缓冲区是否为空，只有缓冲区不为空且wait（mutex）为真是，消费者才能对缓冲区进行取数操作。
isBufferEmpty（）与isBufferFull（）的主要代码如下：
publicbooleanisBufferEmpty（）{//判断缓冲区是否为空
intcount=0;
for（inti=0;iif（buffer.get（i）==0）{//根据缓冲区中的0的个数来判断，若缓
//区0的个数为5（缓冲区容量为5），则为空//反之不为空
count++;
}
}
if（count==5）{
returntrue;
}else{
returnfalse;
}
}
publicbooleanisBufferFull（）{//判断缓冲区是否为满
intcount=0;
for（inti=0;iif（buffer.get（i）!
=0）{//根据缓冲区中不为0的个数来判断，若缓
//区不为0的个数小于5（缓冲区容量为5），//则不为满，反之为满
count++;
}
}
if（count<5）{
returnfalse;
}else{
returntrue;
}
}
4.2.3produce（）存数方法与consume（）取数方法
produce（）方法由生产者使用，在条件满足的情况下对缓冲区进行存数操作，而这个条件就是wait（mutex）==true&&!
isBufferFull（）==true。
对于消费者调用consume（）方法同样也要满足这样一个条件：
wait（mutex）==true&&!
isBufferEmpty（）==true。
produce（）与consume（）方法的主要代码如下：
/*生产数，即向缓冲区中存数*/
publicvoidproduce（）{
if（wait（mutex）&&!
isBufferFull（））{
bufferLock.lock（）;//对该程序段加锁，防止其他线程访问缓冲区
try{
setMutex
（1）;//将线程互斥信号值mutex设置为1，使之互斥
intindex=0;
for（inti=0;iif（buffer.get（i）==0）{
index=i;
break;
}
}
putBufferData（index）;//向缓冲区中存入数据
signal（）;//释放互斥信号，将mutex设置为0
}finally{
bufferLock.unlock（）;//解锁
}
}
}
/*消费数，即在缓冲区中取数*/
publicvoidconsume（）{
if（wait（mutex）&&!
isBufferEmpty（））{
bufferLock.lock（）;//对该程序段加锁，防止其他线程访问缓冲区
try{
setMutex
（1）;//将线程互斥信号值mutex设置为1，使之互斥
intindex=0;//存放顺序查找第一个为0的数的下摆
inti;
for（i=0;iif（buffer.get（i）==0）{
index=i;
break;
}elseif（buffer.get（4）>0）{//缓冲区为满的情况
index=5;
}
}
consumerData=getBufferData（index-1）;//取数据
consumerCount++;
if（consumerCount<=2）{
consumerSum=consumerSum+consumerData;//计算两次取数//之和
if（consumerCount==2）{
System.out.println（"消费者取数之和为：
"+consumerSum）;
consumerSum=0;
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