消费者与生产者问题Word格式文档下载.docx

1、3.1 任务名称 123.2 主要功能 123.3 遇到的问题 124.心得体会 12题目：生产者-消费者问题的模拟实现 一、用户文档（1）设计原理通过一个有界缓冲区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相同的，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取走产品。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。与计算打印两进程同步关系相同，生产者和消费者两进程P和C之间应满足下列两个同步条件：1 只有在缓冲池中至少有一个缓冲区已存入消

2、息后，消费者才能从中提取信息，否则消费者必须等待。2 只有缓冲池中至少有一个缓冲区是空时，生产者才能把消息放入缓冲区，否则生产者必须等待。为了满足第一个同步条件，设置一个同步信号量full，它代表的资源是缓冲区满，它的初始值为0，它的值为n时整个缓冲池满。这个资源是消费者类进程C所有，C进程可以申请该资源，对它施加P操作，而C进程的合作进程生产者进程P对它施加V操作。同样为了满足第二个同步条件，设置另一个同步信号量empty，它代表的资源是缓冲空区，它的初始值为n，表示缓冲池中所有缓冲区空。信号量full表示可用缓冲区数量，信号量empty表示缓冲区数量，设置整型变量：存入指针in和取出指针o

3、ut。为解决生产者/消费者问题，应该设置两个资源信号量，其中一个表示空缓冲区的数目，用g_hFullSemaphore表示，其初始值为有界缓冲区的大小SIZE_OF_BUFFER；另一个表示缓冲区中产品的数目，用g_hEmptySemaphore表示，其初始值为0.另外，由于有界缓冲区是一个临界资源，必须互斥使用，所以还需要在设置一个互斥信号量g_hMutex，初始值为1.P原语的主要动作是：1 sem减1；2 若sem减一后仍大于或等于零，则进程继续执行；3 若sem减一后小于零，则该进程被阻塞后入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度。V原语的操作主要动作是：1 sem加1；2 若相加结果

4、大于零，进程继续执行；若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程然后再返回原进程继续执行或转进程调度。采用的同步方法：1）利用函数CreateMutex（NULL,FALSE,NULL）创建互斥信号量g_hMutex，表示缓冲区当前的状态，若为true时，则表示缓冲区正被别的进程使用。三个参数表示的意义分别为：指向安全属性的指针，初始化互斥对象的所有者,指向互斥对象名的指针。2）利用函数CreateSemaphore（NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL）创建缓冲区满的信号量g_hFullSemaphore，值为true时表示

5、缓冲区已满。四个参数分别为：表示是否允许继承、设置信号机的初始计数、设置信号机的最大计数、指定信号机对象的名称（-1是因为计数从开始）。3）利用函数CreateSemaphore（NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL）创建缓冲区空的信号量g_hEmptySemaphore，该值为true时表示缓冲区为空。（2）数据定义及其详细解释const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 20; /缓冲区长度 unsigned short ProductID = 0; /产品号 unsigned short ConsumeID = 0; /将被消耗的产品号

6、unsigned short in = 0; /产品进缓冲区时的缓冲区下标 unsigned short out = 0; /产品出缓冲区时的缓冲区下标 int g_bufferSIZE_OF_BUFFER; /缓冲区是个循环队列 bool g_continue = true; /使程序跳出循环，控制程序结束 HANDLE g_hMutex; /用于线程间的互斥 HANDLE g_hFullSemaphore; /当缓冲区满时迫使生产者等待 HANDLE g_hEmptySemaphore; /当缓冲区空时迫使消费者等待 DWORD WINAPI Producer（LPVOID）; /生产者线

7、程 DWORD WINAPI Consumer（LPVOID）; /消费者线程 （3）课程设计的实验环境本实验是在硬件：个人电脑；软件：操作系统：Windows 7；开发语言： VC+ VS2012；（4）编译软件（1） 打开VC，选择菜单项file-new,选择projects选项卡并建立一个win32 console applicatoin工程；创建时注意指定创建该工程的目录；（2） 在工程中创建源文件 R_WP1.cpp：选择菜单项project-add to project-files，在选择框中输入自己想要创建的文件名，这里是；在接下来询问是否创建新文件时回答yes然后通过Works

8、pace-FileView-Source Files打开该文件，在其中编辑源文件并保存.（3） 通过调用菜单命令项build-build all进行编译连接,可以在指定的工程目录下得到debug- R_WP1.exe程序，然后把给定的test.txt文件存入该debug目录下，就可以在控制台进入该debug目录运行程序了。需要强调的是在创建数据文件时，由于涉及到文件格式问题，最好在记事本中手工逐个输入数据，而不要拷贝粘贴数据。二、技术文档（1）流程图生产者：消费者：（2）算法及相关函数 /创建各个互斥信号 g_hMutex = CreateMutex（NULL,FALSE,NULL）; /互斥

9、信号量，三个参数表示的意义分别为： g_hFullSemaphore = CreateSemaphore（NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL）; /同步信号量，缓冲区满，四个参数分别为：表示是否允许继承、设置信号机的初始计数、设置信号机的最大计数、指定信号机对象的名称。 g_hEmptySemaphore = CreateSemaphore（NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL）; /同步信号量，缓冲区空 四个参数分别为： /创建生产者线程 for （int i=0;iPRODUCERS_COUNT;+i） hThread

10、si=CreateThread（NULL,0,Producer,NULL,0,&producerIDi）; if （hThreadsi=NULL） return -1; /创建消费者线程CONSUMERS_COUNT; hThreadsPRODUCERS_COUNT+i=CreateThread（NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumerIDi）;/生产一个产品、输出新产品的ID号void Produce（） std:cerr Producing a product +ProductID 号产品 endl; /把新生产的产品放入缓冲区void Append（）Append

11、ing a product ProductID g_bufferin = ProductID; in = （in+1）%SIZE_OF_BUFFER; /输出缓冲区当前的状态SIZE_OF_BUFFER;cout i g_bufferi; if （i=in） std:- 生产; if （i=out） std:- 消费/从缓冲区中取出一个产品void Take（）Taking a product +ConsumeID ConsumeID = g_bufferout; out = （out+1）%SIZE_OF_BUFFER;/消耗一个产品void Consume（）Consuming a pro

12、duct ConsumeID /生产者算法DWORD WINAPI Producer（LPVOID lpPara） while（g_continue） WaitForSingleObject（g_hEmptySemaphore,INFINITE）; WaitForSingleObject（g_hMutex,INFINITE）; Produce（）; Append（）; Sleep（1500）; ReleaseMutex（g_hMutex）; ReleaseSemaphore（g_hFullSemaphore,1,NULL）; return 0;/消费者算法DWORD WINAPI Consum

13、er（LPVOID lpPara） WaitForSingleObject（g_hFullSemaphore,INFINITE）; Take（）; Consume（）; ReleaseSemaphore（g_hEmptySemaphore,1,NULL）;（3）程序源代码清单#include iostreamconst unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 10; /缓冲区长度unsigned short ProductID = 0; /生产的产品号unsigned short ConsumeID = 0; /将被消耗的产品号unsigned short in = 0

14、; /产品进缓冲区时的缓冲区下标unsigned short out = 0; /产品出缓冲区时的缓冲区下标int g_bufferSIZE_OF_BUFFER; /缓冲区是个循环队列bool g_continue = true; /控制程序结束HANDLE g_hMutex; /用于线程间的互斥HANDLE g_hFullSemaphore; /当缓冲区满时迫使生产者等待HANDLE g_hEmptySemaphore; /当缓冲区空时迫使消费者等待DWORD WINAPI Producer（LPVOID）; /生产者算法DWORD WINAPI Consumer（LPVOID）; /消费者

15、算法int main（） /互斥信号量g_hFullSemaphore = CreateSemaphore（NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL）;/同步信号量，缓冲区满 g_hEmptySemaphore = CreateSemaphore（NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL）;/同步信号量，缓冲区空 /调整数值、当生产者个数多于消费者个数时，生产速度快，生产者经常等待消费者；反之，消费者经常等待 const unsigned short PRODUCERS_COUNT = 5; /生产者的个数 const unsign

16、ed short CONSUMERS_COUNT = 3; /消费者的个数 /总的线程数 const unsigned short THREADS_COUNT = PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT; HANDLE hThreadsPRODUCERS_COUNT; /各线程的操作 DWORD producerIDCONSUMERS_COUNT; /生产者线程的标识符 DWORD consumerIDTHREADS_COUNT; /消费者线程的标识符 /终止程序 if（getchar（） g_continue = false;/按回车后终止程序运行（4）程序运行截图三

17、、自我批评与总结任务名称：生产者消费者问题的模拟实现主要功能：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，而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。遇到的问题：（1）生产者、消费者的状态分类 生产者、消费者具体分为几个状态，生产者不仅要生产产品，还要 把产品放入缓冲区，这可以分为一个状态，也可以分为两个状态，与同学商量后，决定分为两个状态，

18、两个状态可以更好的监视生产者的运行，是程序更为明了，思路就会变得简洁直观，程序的修改更加轻松，同理，消费者的状态也分为取产品和消费产品。（2）生产者、消费者同步互斥的实现要解决这个问题，就必须深入了解同步互斥的概念，同步是指只有冲池中至少有一个缓冲区已存入消息后，消费者才能从中提取信息，否则消费者必须等待。只有缓冲池中至少有一个缓冲区是空时，生产者才能把消息放入缓冲区，否则生产者必须等待。互斥是指只要缓冲区未满，生产者就可以生产产品并将产品送入缓冲区，同时禁止消费者取产品。反之亦然。阅读课本，上网搜索之后，决定设置两个资源号量，一个互斥信号量，通过线程实现。心得体会：这次生产者和消费者问题的课程设计，不但加深了我对操作系统中多线程机制的理解和认识，更让我认识到知识的掌握，仅靠学习理论知识是远远不够的，要与实际动手操作相结合才能更好的理解和分析问题。同时，我还明白了，闭门造车是不行的，与其他人多沟通，多了解，不仅会开阔自己的视野，增长知识，还会带来新的思想，新的方向，很多奇思妙想都是思维碰撞的结果。最重要的是，如果想要解决一个问题，就必须深入了解这个问题，只有把这个问题彻底明白了，才能从根本上解决这个问题。