C语言编程模拟生产者及消费者问题.docx
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C语言编程模拟生产者及消费者问题
实验三编程模拟生产者和花费者问题
一、实验目的和要求
模拟实现用同步机构防止发生进度履行时可能出现的与时间相关的错误。
进度是程序在一个数据会合上运转的过程，进度是并发履行的，也即系统中的多个进度轮番地占用办理器运转。
我们把若干个进度都能进行接见和改正的那些变量称为公共变量。
因为进度是并发地履行的，因此，假如对进度接见公共变量不加限制，那么就会产生“与
时间相关”的错误，即进度履行后所获取的结果与接见公共变量的时间相关。
为了防备这种错误，系统一定要用同步机构来控制进度对公共变量的接见。
一般说，
同步机构是由若干条原语——同步原语——所构成。
本实习要修业生模拟PV操作同步机构的实现，模拟进度的并发履行，认识进度并发履行时同步机构的作用。
二、实验环境
Windows操作系统和VisualC++专业版或公司版
三、实验步骤
模拟PV操作同步机构，且用PV操作解决生产者——花费者问题。
[提示]：
（1）PV操作同步机构，由P操作原语和V操作原语构成，它们的定义以下：
P操作原语P（s）：
将信号量s减去1，若结果小于0，则履行原语的进度被
置成等候信号量s的状态。
V操作原语V（s）：
将信号量s加1，若结果不大于0，则开释一个等候信号
量s的进度。
这两条原语是以下的两个过程：
procedurep（vars:
semaphore）;begins:
=s-1;
ifs<0thenW（s）end{p}
procedurev（vars:
semaphore）;
egins:
=s+1;
ifs￡0thenR（s）
end{v}
此中W（s）表示将调用过程的进度置为等候信号量s的状态；R（s）表示
开释一个等候信号量s的进度。
在系统初始化时应把semaphore定义为某个种类，为简单起见，在模拟实习
中可把上述的semaphore直接改成integer。
（2）生产者——花费者问题。
假定有一个生产者和一个花费者，生产者每次生产一件产品，并把生产的产品存入共享缓冲器以供花费者取走使用。
花费者每次从缓冲器内拿出一件产品去花费。
严禁生产者将产品放入已满的缓冲器内，严禁花费者从空缓冲器内以产品。
假定缓冲器内可同时寄存10件产品。
那么，用PV操作来实现生产者和花费者之间的同步，生产者和花费者两个进度的程序以下：
B:
array[0..9]ofproducts;s1,s2;semaphore;
s1:
=10,s2:
=0;
IN,out:
integer;
IN:
=0;out:
=0;cobegin
procedureproducer;
c:
products;begin
P（s1）;B[IN]:
=C;
IN:
=（IN+1）mod10;V（s2）;
gotoL1end;
procedureconsumer;x:
products;
begin
L2:
p（s2）;
x:
=B[out];
out:
=（out+1）mod10;
v（s1）;consume（x）;gotoL2
end;
coend.
此中的semaphore和products是早先定义的两个种类，在模拟实现中semaphore用integer取代，products可用integer或char等取代。
（3）进度控制块PCB。
为了记录进度履行时的状况，以及进度让出办理器后的状态，断点等信息，
每个进度都有一个进度控制块PCB。
在模拟实习中，假定进度控制块的构造如图
3-1。
此中进度的状态有：
运转态、就绪态、等候态和达成态。
当进度处于等候
态时，在进度控制块PCB中要说明进度等候原由（在模拟实习中进度等候原由是为等候信号量s1或s2）；当进度处于等候态或就绪态时，PCB中保存了断点信息，一旦进度再度据有办理器则就从断点地点持续运转；当进度处于达成状态，表示进度履行结束。
进度名
状态
等候原由
断点
图3-1进度控制块构造
（4）办理器的模拟。
计算机硬件供给了一组机器指令，办理器的主要职责是解说履行机器指令。
为了模拟生产者和花费者进度的并发履行，我们一定模拟一组指令和办理职能。
模拟的一组指令见图3-2，此中每条指令的功能由一个过程来实现。
用变量PC来模拟“指令计数器”，假定模拟的指令长度为1，每履行一条模拟指令后，PC加1，提出下一条指令地点。
使用模拟的指令，可把生产者和花费者进度的程序表示为图3-3的形式。
定义两个一维数组PA[0..4]和SA[0..4]，每一个PA[i]寄存生产者程序中
的一条模拟指令履行的进口地点；每个SA[i]寄存花费者程序中的一条模拟指令
履行的进口地点。
于是模拟办理器履行一条指令的过程为：
拿出PC之值，按PA[PC]
或SA[PC]得模拟指令履行的进口地点，将PC之值加1，转向由进口地点确立的相应的过程履行。
模拟的指令功能
p（s）履行P操作原语
v（s）履行V操作原语
putB[IN]:
=product;IN:
=（IN+1）mod10
GETx:
=B[out];out:
=（out+1）mod10
produce输入一个字符放入C中
consume打印或显示x中的字符
GOTOLPC:
=L
NOP空操作
图3-2模拟的办理器指令
序号
生产者程序
花费者程序
0
produce
p（s）
2
1
p（s）
GET
1
2
PUT
v（s1）
3
v（s2）
consume
4
goto0
goto0
图3-3生产者和花费者程序
（5）程序设计
本实习中的程序由三部分构成：
初始化程序、办理器调动程序、模拟办理器
指令履行程序。
各部分程序的功能及互相间的关系由图3-4至图3-7指出。
图3-4初始化流程图3-5模拟办理器调动
·初始化程序：
模拟实习的程序从初始化程序进口启动，初始化工作包含对信号量s1、s2赋初值，对生产者、花费者进度的PCB初始化。
初始化后转向办理调动程序，其流程如图3-4。
·办理器调动程序：
在计算机系统中，进度并发履行时，任一进度占用办理
器履行完一条指令后就有可能被打断而让出办理器由其余进度运转。
故在模拟系统中也近似办理，每当履行一条模拟的指令后，保护目行进度的现场，让它成为非运转态，由办理器调动程序按随机数再选择一个就绪进度占用办理器运转。
办理器调动程序流程见图3-5。
图3-6模拟办理器指令履行
（a）模拟P（s）（b）模拟V（s）
图3-7模拟PV操作的履行
·模拟办理器指令履行程序：
按“指令计数器”PC之值履行指定的指令，且
PC加1指向下一条指令。
模拟办理器指令履行程序的流程图见图
3-6和图3-7。
此外，为了使得模拟程序有一个结束条件，在图3-6中附带了“生产者运转结束”的条件判断，模拟时能够采纳人工选择的方法实现。
图3-7给出了P（s）
和V（s）模拟指令履行过程的流程。
其余模拟指令的履行过程已在图
3-2
中指
出。
附录：
代码
#include<>
#include<>
#include<>
#include<>
#defineNULL0
structspcb
{
charname;
charstate;
charwhy;
intdd;
};
typedefstructspcbpcb;
pcbproducter,consumer,*process,*process1;
ints1,s2,i,j,in,out,pc,m;
chararray[10];
charc,x;
intpa[6],sa[6];
intp（ints）/*p
操作原语
*/
{
s=s-1;
if（s<0）
{
process->state='B';/*B
表示堵塞
*/
process->why='s';
}
else
{
process->state='W';/*W
表示就绪
*/
}
return（s）;
}
intv（ints）/*v
操作原语
*/
{
s=s+1;
if（s<=0）
{
process1->state='W';
}
process->state='W';
return（s）;
}
charRanChar（）
{
chararr[10]={'a','b','c','d','e','f','g','h','i','j'};
returnarr[abs（rand（）%10）];
}
voidput（）
{
//printf（"\npleaseproductanychar!
"）;
//scanf（"\n%c",&c）;
Sleep（1000）;
array[in]=RanChar（）;
in=（in+1）%10;
printf（"productacharis%c!
\n",array[in-1]）;
intk=0;
for（m=0;m<10;m++）
{
if（array[m]!
=''）{
printf（"%c",array[m]）;
k=k+1;
}
}
printf（"缓冲池中有%d个产品\n",k）;
}
voidget（）
{
Sleep（1000）;
x=array[out];
printf（"\n%cgetacharfronbuffer",x）;
printf（"\n"）;
array[out]='';
out=（out+1）%10;
intk=0;
for（m=0;m<10;m++）
{
if（array[m]!
=''）{
printf（"%c",array[m]）;
k=k+1;
}
}
printf（"缓冲池中有%d个产品\n",k）;
}
voidgotol（）
{
pc=0;
}
voidnop（）
{;}
voiddisp（）/*
成立进度显示函数
用于显示目行进度
*/
{
printf（"\nname\tstate\twhy\tdd\n"）;
printf（"|%c\t",process->name）;
printf（"|%c\t",process->state）;
printf（"|%c\t",process->why）;
printf（"|%d\t",process->dd）;
printf（"\n"）;
}
voidinit（）/*初始化程序*/
{
s1=10;/*s1表示空缓冲区的数目*/
s2=0;/*s2表示满缓冲区的数目*/
='p';/*对生产者进度初始化*/
='W';
='';
=0;
='c';/*抵花费者进度初始化*/
='W';
='';
=0;
for（intk=0;k<10;k++）
{
array[k]='';
}
}
voidbornpa（）/*
将生产者程序装入
pa[]
中*/
{
for（i=0;i<=3;i++）
{
pa[i]=i;
}
}
voidbornsa（）/*
将花费者程序装入
sa[]
中*/
{
for（i=0;i<=3;i++）
{
sa[i]=i;
}
}
voiddiaodu（）/*
办理器调动程序
*/
{
while（=='W'）||=='W'））
{
x=rand（）;/*x随机获取一个数*/
x=x%2;/*对X取于*/
if（x==0）/*若X等于零，则履行生产者进度，反之履行花费者进度
*/
{
process=&producter;/*process表示现行进度，将现行进度置为生产者进度
*/
process1=&consumer;
}
else
{
process=&consumer;
process1=&producter;
}
pc=process->dd;
i=pc;/*此时把PC的值付给I*/
if（（process->name=='p'）&&（process->state=='W'））
{
j=pa[i];
pc=i+1;
switch（j）
{
case0:
s1=p（s1）;process->dd=pc;break;
case1:
put（）;process->state='W';process->dd=pc;break;
case2:
s2=v（s2）;process->dd=pc;break;
case3:
gotol（）;process->state='W';process->dd=pc;
}
}
elseif（（process->name=='c'）&&（process->state=='W'））/*
履行花费者进度且
该进度处于就绪状态
{
*/
process->state='W';
j=sa[i];
pc=i+1;
switch（j）
{
case0:
s2=p（s2）;process->dd=pc;break;/*申请资源，若没有申请到则跳转
*/
case1:
get（）;process->dd=pc;break;
case2:
s1=v（s1）;process->dd=pc;break;
case3:
gotol（）;process->state='W';process->dd=pc;
}
}/*endelse*/
}/*endwhile*/
printf（"\nTheprogramisover!
\n"）;
}
voidmain（）
{
init（）;
bornpa（）;
bornsa（）;
diaodu（）;
}
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