实现生产者消费者问题课程设计报告书.docx
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实现生产者消费者问题课程设计报告书
课程设计
题目
实现生产者消费者问题
学院
计算机科学与技术学院
专业
软件工程
班级
软件0904
2011
年
12
月
25日
课程设计任务书
学生：
朱鹏专业班级：
软件工程0904
指导教师：
军工作单位：
计算机科学与技术学院
题目:
实现生产者消费者问题
初始条件：
学习了高级语言程序设计、汇编语言、数据结构、计算机组成原理课程，掌握了一种计算机高级语言。
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量与其技术要求，以与说明书撰写等具体要求）
1.通过研究Linux的线程机制和信号量实现生产者消费者（BoundedBuffer）问题的并发控制。
2.实验条件要求：
每人一台与Linux主机联网的Windows主机，普通用户权限。
3.编程与上机实现；
4.撰写课程设计报告，包括：
1）设计题目与要求
2）总的设计思想与系统平台、语言、工具等。
3）数据结构与模块说明（功能与流程图）
4）源程序
5）运行结果与运行情况
6）调试记录
7）自我评析和总结
时间安排：
序号
阶段容
所需时间
1
消化资料、系统设计
1天
2
编程、调试
３天
3
撰写报告
1天
合计
５天
指导教师签名：
2011年12月26日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
1设计题目与要求
1.1设计题目
实现生产者消费者问题
1.2设计要求
（1）每个生产者和消费者对有界缓冲区进行操作后，即时显示有界缓冲区的全部容、当前指针位置和生产者／消费者线程的标识符。
（2）生产者和消费者各有两个以上。
（3）多个生产者或多个消费者之间须共享对缓冲区进行操作的函数代码。
2设计思想与系统平台、语言、工具
2.1设计思想
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。
在同一时刻只能有一个生产者或一个消费者使用缓冲区，有互斥信号量可以控制各个生产者和消费者之间互斥，使得生产和消费的工作能够有序的进行，而不至于发生死锁。
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一样的，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。
在本问题中,共需要一个Mutex和两个Semaphore.其中,Mutex是用来锁定临界区的,以解决对共享数据buffer的互斥访问问题（无论是对生成者还是对消费者）;共需要两个Semaphore,这是因为在本问题中共有两个稀缺资源.第一种是"非空"这种资源,是在消费者之间进行竞争的.第二种是"非满"这种资源,是在生产者之间进行竞争的.
所以,一般来说,需要锁定临界区,就需要Mutex;有几种稀缺资源就需要几个Semaphore.对稀缺资源的分析不能想当然.稀缺资源不一定是指被共享的资源,很多时候是指线程会被阻塞的条件（除了要进临界区被阻塞外）.在生产者消费者问题中,消费者会在缓冲区为空时被阻塞,所以"非空"是一种稀缺资源;需要设置一个信号量consumer_semaphore,初值设为0;生产者会在缓冲区为满时被阻塞,所以"非满"也是一种稀缺资源.需要设置一个信号量producer_semaphore,初值设为buffer的大小MAX_BUFFER
2.2系统平台与语言、工具
（1）操作系统：
Linux
（2）程序设计语言：
C语言
（3）编译器：
GCC
3数据结构与模块说明
共享数据：
#defineNUM20
intqueue[NUM];
intp=0,c=0;//记录动态数组下标位置
sem_tblank_number,product_number;
pthread_mutex_tcounter_mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
生产者线程入口函数：
void*producer_thread_fun（unsignedint*arg）
{
intrealarg=（int）arg;//强制类型转换参数
producer（realarg）;
returnNULL;
}
生产者线程处理函数：
void*producer（constinti）
{while
（1）
{
sem_wait（&blank_number）;
pthread_mutex_lock（&counter_mutex）;
sleep
（2）;
queue[p]=p+1;
pthread_mutex_unlock（&counter_mutex）;
sem_post（&product_number）;
sleep（rand（）%5）;//Randomblock0-4seconds
}
returnNULL;
}
生产者线程的函数流程图如下：
消费者线程入口函数：
void*consumer_thread_fun（void*arg）
{intrealarg=（int）arg;
consumer（realarg）;
returnNULL;
}
消费者线程的处理函数:
void*consumer（constinti）
{while
（1）
{
sem_wait（&product_number）;
pthread_mutex_lock（&counter_mutex）;
sleep
（2）;
sleep（rand（）%5）;
}
}
消费者线程的处理函数流程图如下：
4源程序
#include
#include
#include
#include
#include
#defineNUM20
intqueue[NUM];
intp=0,c=0;//Recordlocationofthedynamicarraysubscript
sem_tblank_number,product_number;
pthread_mutex_tcounter_mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
//ProducerFunction
void*producer（constinti）
{
intj;
time_tt;
srand（（unsigned）time（&t））;//Initializetherandomnumberseed
while
（1）
{sem_wait（&blank_number）;
pthread_mutex_lock（&counter_mutex）;
sleep
（2）;
queue[p]=p+1;
pthread_mutex_unlock（&counter_mutex）;
sem_post（&product_number）;
printf（"ProducerNumber%dthreadidentifier:
%u,",i+1,（（unsignedint）pthread_self（）））;
printf（"Produce%d\n",queue[p]）;
printf（"Thecurrentstateofthebuffe：
**********************************\n"）;
printf（"Number:
"）;
for（j=0;j{
printf（"%4d",j+1）;
}
printf（"\nValue:
"）;
for（j=0;j{
printf（"%4d",queue[j]）;
}
printf（"\nPointer:
"）;
for（j=0;j{
if（j!
=p）
printf（""）;
else
printf（"+"）;
}
printf（"\n"）;
p=（p+1）%NUM;//pbackwardone
sleep（rand（）%5）;//Randomblock0-4seconds
}
returnNULL;
}
//Productionofthethreadentryfunction
void*producer_thread_fun（unsignedint*arg）
{
intrealarg=（int）arg;//Forcetypeconversionparameters
producer（realarg）;
returnNULL;
}
//Consumerfunction
void*consumer（constinti）
{
intj;
time_tt;
srand（（unsigned）time（&t））;
while
（1）
{
sem_wait（&product_number）;
pthread_mutex_lock（&counter_mutex）;
sleep
（2）;
printf（"ConsumerNumber%dthreadidentifier:
%u,",i+1,（（unsignedint）pthread_self（）））;
printf（"Consumed%d\n",queue[c]）;
queue[c]=0;//Fillemptyposition0
pthread_mutex_unlock（&counter_mutex）;
sem_post（&blank_number）;
printf（"Thecurrentstateofthebuffer：
**********************************\n"）;
printf（"Number:
"）;
for（j=0;j{
printf（"%4d",j+1）;
}
printf（"\nValue:
"）;
for（j=0;j{
printf（"%4d",queue[j]）;
}
printf（"\nPointer:
"）;
for（j=0;j{
if（j!
=c）
printf（""）;
else
printf（"-"）;
}
printf（"\n"）;
c=（c+1）%NUM;
sleep（rand（）%5）;
}
}
//consumerthreadentryfunction
void*consumer_thread_fun（void
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