生产者消费者 BoundedBuffer Problem.docx
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生产者消费者BoundedBufferProblem
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
软件0703
指导教师：
刘军工作单位：
计算机科学与技术学院
题目:
实现生产者消费者（Bounded-BufferProblem）问题
初始条件：
1．操作系统：
Linux
2．程序设计语言：
C语言
3．有界缓冲区内设有20个存储单元，其初值为0。
放入／取出的数据项按增序设定为1－20这20个整型数。
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．技术要求：
1）为每个生产者／消费者产生一个线程，设计正确的同步算法
2）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当前全部内容、当前指针位置和生产者／消费者线程的自定义标识符。
3）生产者和消费者各有两个以上。
4）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．设计说明书内容要求：
1）设计题目与要求
2）总的设计思想及系统平台、语言、工具等。
3）数据结构与模块说明（功能与流程图）
4）运行结果与运行情况
（提示:
（1）有界缓冲区可用数组实现。
（2）编译命令可用：
cc-lpthread-o 目标文件名 源文件名
（3）多线程编程方法参见附件。
）
3.调试报告：
1）调试记录
2）自我评析和总结
上机时间安排：
周一~五下午14：
00－18：
00（6月15日开始）
指导教师签名：
2010年6月15日
系主任（或责任教师）签名：
2010年6月15日
实现生产者消费者（Bounded–BufferProblem）问题
摘要
生产者与消费者问题是《操作系统》中经典进程同步问题的典型代表。
本设计介绍了基于单缓冲区和多缓冲区的生产者与消费者问题在C语言中的多种实现机制。
这种用C实现生产者与消费者问题的思想不仅可以更好的理解这方面的内容,而且还具有很强的实践意义。
1设计题目与要求
1．1设计题目：
实现生产者消费者（Bounded–BufferProblem）问题
1．2设计要求：
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总的设计思想及系统平台、语言、工具
2.1设计思想：
2.1.1具体的要求
（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内容.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。
2.1.2POSIX无名信号量
PV操作是原子操作.也就是操作是不可以中断的,在一定的时间内,只能够有一个进程的代码在CPU上面执行.在系统当中,有时候为了顺利的使用和保护共享资源,提出了信号的概念.POSIX标准提出了有名信号量和无名信号量的概念,由于Linux只实现了无名信号量,我们在这里就只是介绍无名信号量了。
信号量的使用主要是用来保护共享资源,使的资源在一个时刻只有一个进程所拥有.为此可以使用一个信号灯.当信号灯的值为某个值的时候,就表明此时资源不可以使用.否则就表>示可以使用.为了提供效率,Linux系统提供了下面几个函数
POSIX的无名信号量的函数有以下几个:
intsem_init（sem_t*sem,intpshared,unsignedintvalue）;
intsem_destroy（sem_t*sem）;
intsem_wait（sem_t*sem）;
intsem_trywait（sem_t*sem）;
intsem_post（sem_t*sem）;
intsem_getvalue（sem_t*sem）;
sem_init创建一个信号灯,并初始化其值为value.pshared决定了信号量能否在几个进程间共享.由于目前Linux还没有实现进程间共享信号灯,所以这个值只能够取0.sem_destroy是用来删除信号灯的.sem_wait调用将阻塞进程,直到信号灯的值大于0.这个函数返回的时候自动的将信号灯的值的件一.sem_post和sem_wait相反,是将信号灯的内容加一同时发出信号唤醒等待的进程..sem_trywait和sem_wait相同,不过不阻塞的,当信号灯的值为0的时候返回EAGAIN,表示以后重试.sem_getvalue得到信号灯的值.
这几个函数的使用相当简单的.比如我们有一个程序要向一个系统请求一个资源时.首先创建一个信号灯,并使其初始值为1,表示有一个资源可用.然后一个进程调用sem_wait由于这个时候信号灯的值为1,所以这个函数返回,打印机开始打印了,同时信号灯的值为0了.如果第二个进程要使用,调用sem_wait时候,由于信号灯的值为0,资源不可用,于是被阻塞了.当第一个进程对资源的使用完毕以后,调用sem_post信号灯的值为1了,这个时候系统通知第二个进程,于是第二个进程的sem_wait返回.第二个进程开始工作了.
2.1.3SystemV信号量
为了解决上面的问题,也可以使用SystemV信号量.并且Linux实现了SystemV信号量.这样就可以用实例来解释了.SystemV信号量的函数主要有下面几个.
key_tftok（char*pathname,charproj）;
intsemget（key_tkey,intnsems,intsemflg）;
intsemctl（intsemid,intsemnum,intcmd,unionsemunarg）;
intsemop（intsemid,structsembuf*spos,intnspos）;
structsembuf{
shortsem_num;/*使用那一个信号*/
shortsem_op;/*进行什么操作*/
shortsem_flg;/*操作的标志*/
};
ftok函数是根据pathname和proj来创建一个关键字.semget创建一个信号量.成功时返回信号的ID,key是一个关键字,可以是用ftok创建的也可以是IPC_PRIVATE表明由系统选用一个关键字.nsems表明我们创建的信号个数.semflg是创建的权限标志,和创建一个文件的标志相同.
semctl对信号量进行一系列的控制.semid是要操作的信号标志,semnum是信号的个数,cmd是操作的命令.经常用的两个值是:
SETVAL（设置信号量的值）和IPC_RMID（删除信号灯）.arg是一个给cmd的参数.
semop是对信号进行操作的函数.semid是信号标志,spos是一个操作数组表明要进行什么操作,nspos表明数组的个数.如果sem_op大于0,那么操作将sem_op加入到信号量的值中,并唤醒等待信号增加的进程.如果为0,当信号量的值是0的时候,函数返回,否则阻塞直到信号量的值为0.如果小于0,函数判断信号量的值加上这个负值.如果结果为0唤醒等待信号量为0的进程,如果小与0函数阻塞.如果大于0,那么从信号量里面减去这个值并返回.
2.1.4pthread_xxx（）API
主要包含数据结构pthread_t它记录一个线程的号，主要包括下面几个函数，完成不同的功能：
intpthread_create（pthread_t*thread,pthread_attr_t*attr,void*（*start_routine）（void*）,void*arg）;创建一个线程。
pthread_join（pthread_t*thread,void**return）;等待一个线程结束。
pthread_exit（void*returnval）;结束一个线程。
2.2.系统平台：
一台Linux主机且有超级用户权限
2.3.编程工具：
VI编辑器，Gedit编辑器
3．模块说明
3.1．生产者进程：
if（fork（）==0）
{
inti=0;
while（i<100）
{
semop（emptyid,&P,1）;
semop（mutxid,&P,1）;
array[*（set）%MAXSEM]=i+1;
printf（"Producer%d\n",array[（*set）%MAXSEM]）;
（*set）++;
semop（mutxid,&V,1）;
semop（fullid,&V,1）;
i++;
}//endofwhileinline62
sleep（10）;
printf（"Producerisover"）;
exit（0）;
}/……
3.2消费者进程：
//消费者A进程
if（fork（）==0）
{
while
（1）
{
semop（fullid,&P,1）;
semop（mutxid,&P,1）;
if（*get==100）
break;
*sum+=array[（*get）%MAXSEM];
printf（"TheComsumerAGetNumber%d\n",array[（*get）%MAXSEM]）;
（*get）++;
if（*get==100）
printf（"Thesumis%d\n",*sum）;
semop（mutxid,&V,1）;
semop（emptyid,&V,1）;
sleep
（1）;
}//endofwhile
（1）inline82
printf（"ConsumerAisover"）;
exit（0）;
}//endofifinline81
else
{//消费者B进程
if（fork（）==0）
{
while
（1）
{
semop（fullid,&P,1）;
semop（mutxid,&P,1）;
if（*get==100）
break;
*sum+=array[（*get）%MAXSEM];
printf（"TheComsumerBGetNumber%d\n",array[（*get）%MAXSEM]）;
（*get）++;
if（*get==100）
printf（"Thesumis%d\n",*sum）;
semop（mutxid,&V,1）;
semop（emptyid,&V,1）;
sleep
（1）;
}//endofwhile
（1）inline105
printf（"ConsumerBisover"）;
exit（0）;
}//endofifinline103
}//endofelseinline101
}……
4.源程序：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#defineMAXSEM5
////声明三个信号灯ID
intfullid;
intemptyid;
intmutxid;
intmain（）
{
structsembufP,V;;
unionsemunarg;
////声明共享内存
int*array;
int*sum;
int*set;
int*get;
//映射共享内存
array=（int*）mmap（NULL,sizeof（int）*5,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,-1,0）;
sum=（int*）mmap（NULL,sizeof（int）,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,-1,0）;
get=（int*）mmap（NULL,sizeof（int）,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,-1,0）;
set=（int*）mmap（NULL,sizeof（int）,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,-1,0）;
*sum=0;
*get=0;
*set=0;
//生成信号灯
fullid=semget（IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|00666）;
emptyid=semget（IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|00666）;
mutxid=semget（IPC_PRIVATE,1,IPC_CREAT|00666）;
//为信号灯赋值
arg.val=0;
if（semctl（fullid,0,SETVAL,arg）==-1）perror（"semctlsetvalerror"）;
arg.val=MAXSEM;
if（semctl（emptyid,0,SETVAL,arg）==-1）perror（"semctlsetvalerror"）;
arg.val=1;
if（semctl（mutxid,0,SETVAL,arg）==-1）perror（"setctlsetvalerror"）;
//初始化P,V操作
V.sem_num=0;
V.sem_op=1;
V.sem_flg=SEM_UNDO;
P.sem_num=0;
P.sem_op=-1;
P.sem_flg=SEM_UNDO;
//生产者进程
if（fork（）==0）
{
inti=0;
while（i<100）
{
semop（emptyid,&P,1）;
semop（mutxid,&P,1）;
array[*（set）%MAXSEM]=i+1;
printf（"Producer%d\n",array[（*set）%MAXSEM]）;
（*set）++;
semop（mutxid,&V,1）;
semop（fullid,&V,1）;
i++;
}//endofwhileinline62
sleep（10）;
printf（"Producerisover"）;
exit（0）;
}//endofifinline59
else
{
//消费者A进程
if（fork（）==0）
{
while
（1）
{
semop（fullid,&P,1）;
semop（mutxid,&P,1）;
if（*get==100）
break;
*sum+=array[（*get）%MAXSEM];
printf（"TheComsumerAGetNumber%d\n",array[（*get）%MAXSEM]）;
（*get）++;
if（*get==100）
printf（"Thesumis%d\n",*sum）;
semop（mutxid,&V,1）;
semop（emptyid,&V,1）;
sleep
（1）;
}//endofwhile
（1）inline82
printf（"ConsumerAisover"）;
exit（0）;
}//endofifinline81
else
{//消费者B进程
if（fork（）==0）
{
while
（1）
{
semop（fullid,&P,1）;
semop（mutxid,&P,1）;
if（*get==100）
break;
*sum+=array[（*get）%MAXSEM];
printf（"TheComsumerBGetNumber%d\n",array[（*get）%MAXSEM]）;
（*get）++;
if（*get==100）
printf（"Thesumis%d\n",*sum）;
semop（mutxid,&V,1）;
semop（emptyid,&V,1）;
sleep
（1）;
}//endofwhile
（1）inline105
printf（"ConsumerBisover"）;
exit（0）;
}//endofifinline103
}//endofelseinline101
}//endofelseinline78
sleep（20）;
return0;
}//endofmain
5．运行结果与运行情况
运行截图如下：
6．调试记录：
有三个worning：
7．自我评析和总结：
这次操作系统课程设计，我在设计过程中虽然遇到了困难，但是通过上网查阅资料很好的解决了问题，让我真正理解了Linux内核定时器的本质。
其实这个课程设计是我和同学一起完成的，虽然不是很完美，但是起码能让我们很好的理解了什么是生产者—消费者问题。
让我对互斥问题有了更深的见解。
8.参考文献
[1]《OperatingSystemConcepts（SixthEdition）（操作系统概念）影印版》AbrahamSilberschatz编高等教育出版社2003年
[2]《计算机操作系统教程（第三版）》张尧学编清华大学出版社2001年
[3]《操作系统原理（第三版）》庞丽萍华中科技大学出版社2000年
本科生课程设计成绩评定表
班级：
软件0703 姓名：
学号：
0120710680319
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：
2010年6月15日
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