用多线程同步方法解决生产者消费者问题.docx

1、用多线程同步方法解决生产者消费者问题武汉理工大学华夏学院课程设计报告书课程名称： 操作系统原理 题 目：用多线程同步方法解决生产者消费者问题 系 名： 信息工程系 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师: 年 月 日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 设计题目：用多线程同步方法解决生产者消费者问题初始条件:Linux操作系统，GCC编译环境要求完成的主要任务:主要任务：通过研究Linux的线程机制和信号量实现生产者消费者问题的并发控制。有界缓冲区内设有20个存储单元，放入取出的数据项设定为120这20个整型数。(1) 每个生产者和消费者对有界缓冲区进行操作后，即时显

2、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。提示:(1)有界缓冲区/连续存储区可用数组实现。(2) 编译命令可用：gcc -lpthread -o 目标文件名源文件名(3) 多线程编程方法参见电子文档。设计报告撰写格式要求：1设计题目与要求 2 设计思想 3系统结构 4 数据结构的说明和模块的算法流程图 5 使用说明书（即用户手册）：内容包含如何登录、退出、读、写等操作说明6 运行结果和结果分析（其中包括实验的检查结果、程序的运行情况）7 自我评价与总结8 附录：程序清单

3、，注意加注释（包括关键字、方法、变量等），在每个模块前加注释；时间安排 6月 20日 布置课程设计任务；分配题目后，查阅资料、 准备程序； 6月 21 6月23 日上机调试程序、书写课程设计报告；6月24 日 提交课程设计报告及相关文档。指 导 教 师 签 字： 2011年 6月18日系 主 任 签 字： 2011年 6月 19日1.设计目的与要求1.1设计目的通过研究Linux的线程机制和信号量实现生产者消费者问题(Producer-Consumer Problem)的并发控制。1.2设计要求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/消费者对该存储区进行操作后，即

4、时显示该存储区的全部内容、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/消费者之间须共享对存储区进行操作的函数代码。2.设计思想及系统平台2.1设计思想在本问题中,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);我们共需要两个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

5、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_BUFFER2.2系统平台及使用语言本课程设计在Linux操作系统下，使用C语言完成。用到的工具主要有GCC编译器和VI编辑器。3.详细算法描述共享数据：Sem

6、aphore buffer_mutex=1;Semaphore producer_semaphore=MAX_BUFFER;Semaphore consumer_semaphore=0;int bufferMAX_BUFFER;Producer线程的处理函数：while(1)Wait(producer_semaphore);Wait(buffer_mutex);Bufferpn=product;pn=(pn+1)%MAX_BUFFER;Signal(consumer_semaphore);Signal(buffer_mutex);Sleep();producer线程的处理函数流程图如下： co

7、nsumer线程的处理函数:while(1)Wait(consumer_semaphore);Wait(buffer_mutex);Consume=buffercn;cn=(cn+1)%MAX_BUFFER;Signal(producer_semaphore);Signal(buffer_mutex);Sleep();consumer线程的处理函数流程图如下：4.源程序清单(注释是后加上的)用户名：rj070126（IP：192.168.2.254）源程序名：/home/rj070126/pc.c目标程序名：/home/rj070126/pc运行结果：/home/rj070126/output

8、.txt源程序清单如下：#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#define NUM_THREADS_P 5 /*定义数据为生产者*/#define NUM_THREADS_C 5 /*定义数据为消费者*/#define MAX_BUFFER 20 /*定义数据为缓存区*/#define RUN_TIME 20 /*定义运行时间*/int bufferMAX_BUFFER; int produce_pointer=0,consume_pointer=0;sem_t prod

9、ucer_semaphore,consumer_semaphore,buffer_mutex;pthread_t threads_pNUM_THREADS_P; /*声明生产者线程*/pthread_t threads_cNUM_THREADS_C; /*声明消费者线程*/FILE* fd; void *producer_thread(void *tid);void *consumer_thread(void *tid);void showbuf();void handler() int i; for(i=0;iNUM_THREADS_P;i+) pthread_cancel(threads_

10、pi); for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+) pthread_cancel(threads_ci);int main() int i; signal(SIGALRM,handler); fd=fopen(output.txt,w); /*打开一个文件用来保存结果*/ sem_init(&producer_semaphore,0,MAX_BUFFER); /*放一个值给信号灯*/ sem_init(&consumer_semaphore,0,0); sem_init(&buffer_mutex,0,1); for(i=0;iMAX_BUFFER;i+) bufferi=0; /

11、*引发缓冲*/ /*创建线程*/ for(i=0;iNUM_THREADS_P;i+) pthread_create(&threads_pi,NULL,(void*)producer_thread,(void*)(i+1); for(i=0;iNUM_THREADS_C;i+) pthread_create(&threads_ci,NULL,(void*)consumer_thread,(void *)(i+1); alarm(RUN_TIME); /*等待线程退出*/ for(i=0;iNUM_THREADS_P;i+) pthread_join(threads_pi,NULL); for(

12、i=0;iNUM_THREADS_C;i+) pthread_join(threads_ci,NULL); /*清除信号灯*/ sem_destroy(&producer_semaphore); sem_destroy(&consumer_semaphore); sem_destroy(&buffer_mutex); fclose(fd); return 0;void *producer_thread(void *tid) pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL); while(1) sem_wait(&producer_semaph

13、ore); srand(int)time(NULL)*(int)tid); sleep(rand()%2+1); /*一个或两个需要生产*/ while(produce_pointer+1)%20=consume_pointer); sem_wait(&buffer_mutex); bufferproduce_pointer=rand()%20+1; produce_pointer=(produce_pointer+1)%20; if(produce_pointer=0) printf(producer:%d pointer_p:%2d produced:%2dn,(int)tid,19,bu

14、ffer19); fprintf(fd,producer:%d pointer_p:%2d produced:%2dn,(int)tid,19,buffer19); else printf(producer:%d pointer_p:%2d produced:%2dn,(int)tid,produce_pointer-1,bufferproduce_pointer-1); fprintf(fd,producer:%d pointer_p:%2d produced:%2dn,(int)tid,produce_pointer-1,bufferproduce_pointer-1); showbuf(

15、); sem_post(&buffer_mutex); sem_post(&consumer_semaphore); /*通知消费者缓冲区不是空的*/ srand(int)time(NULL)*(int)tid); sleep(rand()%5+1); /*等待几秒钟,然后继续生产*/ return (void*)0);void *consumer_thread(void *tid) /*可以被其他线程使用*/ pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL); while(1) sem_wait(&consumer_semaphore);

16、srand(int)time(NULL)*(int)tid); sleep(rand()%2+1); /*一个或两个来消费*/ sem_wait(&buffer_mutex); printf(consumer:%d pointer_c:%2d consumed:%2dn,(int)tid,consume_pointer,bufferconsume_pointer); fprintf(fd,consumer:%d pointer_c:%2d consumed:%2dn,(int)tid,consume_pointer,bufferconsume_pointer); bufferconsume_p

17、ointer=0; consume_pointer=(consume_pointer+1)%20; showbuf(); sem_post(&buffer_mutex); sem_post(&producer_semaphore); srand(int)time(NULL)*(int)tid); sleep(rand()%5+1); /*等待几秒钟,然后继续消费*/ return (void*)0);/*查看缓冲区内容*/void showbuf() int i; printf(buffer:); fprintf(fd,buffer:); for(i=0;iMAX_BUFFER;i+) pri

18、ntf(%2d ,bufferi); fprintf(fd,%2d ,bufferi); printf(nn); fprintf(fd,nn);5.运行结果与运行情况程序运行结果如下：producer:1 pointer_p: 0 produced:20buffer:20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:3 pointer_p: 1 produced:13buffer:20 13 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p: 2 produced: 6buffer

19、:20 13 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:4 pointer_p: 3 produced:14buffer:20 13 6 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:5 pointer_p: 4 produced:20buffer:20 13 6 14 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:2 pointer_c: 0 consumed:20buffer: 0 13 6 14 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

20、producer:1 pointer_p: 5 produced:20buffer: 0 13 6 14 20 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:1 pointer_c: 1 consumed:13buffer: 0 0 6 14 20 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:3 pointer_c: 2 consumed: 6buffer: 0 0 0 14 20 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:4 pointer_c: 3 consumed:14buffer

21、: 0 0 0 0 20 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:5 pointer_c: 4 consumed:20buffer: 0 0 0 0 0 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:3 pointer_p: 6 produced: 1buffer: 0 0 0 0 0 20 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p: 7 produced:14buffer: 0 0 0 0 0 20 1 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 con

22、sumer:3 pointer_c: 5 consumed:20buffer: 0 0 0 0 0 0 1 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:4 pointer_p: 8 produced: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 1 14 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:5 pointer_c: 6 consumed: 1buffer: 0 0 0 0 0 0 0 14 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:5 pointer_p: 9 produced: 8buffer: 0 0 0 0

23、0 0 0 14 6 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:2 pointer_c: 7 consumed:14buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 6 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:5 pointer_c: 8 consumed: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:1 pointer_p:10 produced:18buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 18 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:1 pointe

24、r_c: 9 consumed: 8buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p:11 produced:10buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 10 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:4 pointer_p:12 produced:10buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 10 10 0 0 0 0 0 0 0 consumer:4 pointer_c:10 consumed:18buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

25、 0 10 10 0 0 0 0 0 0 0 producer:3 pointer_p:13 produced: 3buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 10 3 0 0 0 0 0 0 consumer:3 pointer_c:11 consumed:10buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 3 0 0 0 0 0 0 consumer:2 pointer_c:12 consumed:10buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 producer:1 pointer_p:14 p

26、roduced: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 6 0 0 0 0 0 consumer:1 pointer_c:13 consumed: 3buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p:15 produced:18buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 18 0 0 0 0 consumer:5 pointer_c:14 consumed: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18

27、 0 0 0 0 producer:1 pointer_p:16 produced: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 6 0 0 0 producer:3 pointer_p:17 produced:19buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 6 19 0 0 consumer:1 pointer_c:15 consumed:18buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 19 0 0 producer:5 pointer_p:18 produced: 7buf

28、fer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 19 7 0 consumer:3 pointer_c:16 consumed: 6buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 19 7 0 producer:4 pointer_p:19 produced:14buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 19 7 14 consumer:5 pointer_c:17 consumed:19buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7 14 c

29、onsumer:4 pointer_c:18 consumed: 7buffer: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 14 producer:1 pointer_p: 0 produced: 4buffer: 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 14 consumer:2 pointer_c:19 consumed:14buffer: 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 consumer:1 pointer_c: 0 consumed: 4buffer: 0 0 0 0

30、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p: 1 produced:15buffer: 0 15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:3 pointer_p: 2 produced:13buffer: 0 15 13 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 producer:2 pointer_p: 3 produced: 3buffer: 0 15 13 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 说明： “producer:2”是指自定义标号为2的producer，“pointer_p