操作系统课程设计用多线程同步方法解决生产者 1文档格式.docx
《操作系统课程设计用多线程同步方法解决生产者 1文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《操作系统课程设计用多线程同步方法解决生产者 1文档格式.docx（15页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
技术要求：
1、生产者和消费者各有两个以上。
多个生产者或
多个消费者之间须有共享对缓冲区进行操作
的函数代码。
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。
2、编写多线程同步方法解决生产者-消费者的程
序，并完成对进程进行模拟同步和互斥的控制。
2设计总体思路
2.1多线程编程思想
编写Windows下的多线程程序，需要使用头文件pthread.h以及windows.h.在LINUX下进行多线程编程首先要用到CreateThread（）这个函数.函数CreateThread（）用来创建一个线程，它的原型为：
HANDLECreateThread（
LPSECURITY_ATTRIBUTESlpThreadAttributes,
//pointertosecurityattributes
DWORDdwStackSize,
//initialthreadstacksize
LPTHREAD_START_ROUTINElpStartAddress,
//pointertothreadfunction
LPVOIDlpParameter,
//argumentfornewthread
DWORDdwCreationFlags,
//creationflags
LPDWORDlpThreadId）;
//pointertoreceivethreadID
第一个参数是指向SECURITY_ATTRIBUTES型态的结构的指针。
在Windows98中忽略该参数。
在WindowsNT中，它被设为NULL。
第二个参数是用于新线程的初始堆栈大小，默认值为0。
在任何情况下，Windows根据需要动态延长堆栈的大小。
第三个参数是指向线程函数的指标。
函数名称没有限制，但是必须以下列形式声明：
DWORDWINAPIThreadProc（PVOIDpParam）;
第四个参数为传递给ThreadProc的参数。
这样主线程和从属线程就可以共享数据。
第五个参数通常为0，但当建立的线程不马上执行时为旗标CREATE_SUSPENDED。
线程将暂停直到呼叫ResumeThread来恢复线程的执行为止。
第六个参数是一个指标，指向接受执行绪ID值的变量。
2.1.1线程数据
在单线程的程序里，有两种基本的数据：
全局变量和局部变量。
但在多线程程序里，还有第三种数据类型：
线程数据。
它和全局变量很象，在线程内部，各个函数可以象使用全局变量一样调用它，但它对线程外部的其它线程是不可见的。
这种数据的必要性是显而易见的。
例如我们常见的变量errno，它返回标准的出错信息。
它显然不能是一个局部变量，几乎每个函数都应该可以调用它；
但它又不能是一个全局变量，否则在A线程里输出的很可能是B线程的出错信息。
ThreadHandle[0]=CreateThread（NULL,0,Producer,NULL,0,&
producer1）其六个参数分别表示为安全设置，堆栈大小，入口函数，函数参数，启动选项，输出线程ID，返回线程句柄。
2.1.2互斥锁
互斥锁用来保证一段时间内只有一个线程在执行一段代码，必要性显而易见：
假设各个线程向同一个文件顺序写入数据，最后得到的结果一定是灾难性的.函数mutex=CreateMutex（NULL,FALSE,NULL）;
用来生成一个互斥锁.NULL参数表明使用默认属性.如果需要声明特定属性的互斥锁，须调用函数CreateMutex（NULL,FALSE,NULL）
WaitForSingleObject（mutex,INFINITE）声明开始用互斥锁上锁，直至调用ReleaseMutex（mutex）为止，均被上锁，
即同一时间只能被一个线程调用执行.当一个线程执行到pthread_mutex_lock处时，如果该锁此时被另一个线程使用，那么此线程被阻塞，即程序将等待到另一个线程释放此互斥锁.
2.1.3信号量
信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问。
当公共资源增加时，调用函数aitForSingleObject（empty,INFINITE）增加信号量。
只有当信号量值大于０时，才能使用公共资源，使用后，函数WaitForSingleObject（full,INFINITE）减少信号量。
函数ReleaseSemaphore（full,1,NULL）用来增加信号量的值。
当有线程阻塞在这个信号量上时，调用这个函数会使其中的一个线程不在阻塞，选择机制同样是由线程的调度策略决定的。
函数ReleaseSemaphor（）用来释放信号量。
2.2设计原理
生产者线程和消费者线程共享同一个缓冲队列，生产者线程向缓冲区中写数据，消费者线程从缓冲区中取数据。
但两者必须在使用缓冲队列资源时保持互斥，否则可能会导致在写入时产生数据覆盖，在读出时得到错误数据。
因而要在程序中设置一个互斥锁或公用信号量，用于保证线程间的互斥执行。
同时生产者线程和消费者线程必须保持同步关系，因为生产者线程的执行为消费者线程提供了需要的数据，是其执行的前提。
反之，消费者线程的执行为生产者线程腾出了空闲的缓冲单元，为写数据提供了条件。
即消费者线程执行的前提：
缓冲队列中至少有一个单元有数据；
生产者线程执行的前提：
缓冲队列中至少有一个单元是空的。
在设计过程中，利用信号量和wait、signal原语操作来实现。
如图1所示：
图1生产者、消费者共享有界缓冲区
2.3原语操作实现
Thestructureoftheproducerprocess
do{
//生产产品
wait（empty）;
wait（mutex）;
//往Buffer中放入产品
signal（mutex）;
signal（full）;
}while（true）;
Thestructureoftheconsumerprocess
wait（full）;
//从Buffer中取出产品
signal（empty）;
//消费产品
3开发环境与工具
系统平台：
Windows环境
实现语言：
开发工具：
Vs2012
4概要设计
4.1数据结构设计
通过分析课程设计要求，具体设计出如下数据结构:
1.intbuffer[20]={0};
//定义缓冲区空间大小
2.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：
producer1）;
//创建一个线程。
ExitThread（0）;
CloseHandle（ThreadHandle[0]）;
//等待一个线程结束。
4.2程序模块实现
4.2.1生产者（Producer）模块
生产者线程向一缓冲区中写入数据，且写入缓冲区的数目不能超过缓冲区容量。
当生产者产生出数据，需要将其存入缓冲区之前，首先检查缓冲区中是否有“空”存储单元，若缓冲区存储单元全部用完，则生产者必须阻塞等待，直到消费者取走一个存储单元的数据，唤醒它。
若缓冲区内有“空”存储单元，生产者需要判断此时是否有别的生产者或消费者正在使用缓冲区，若是有，则阻塞等待，否则，获得缓冲区的使用权，将数据存入缓冲区，释放缓冲区的使用权，其流程图如图2所示：
图2生产者流程图
//生产者线程
DWORDWINAPIProducer（LPVOIDlpPara）
{
do{
WaitForSingleObject（empty,INFINITE）;
//空缓冲区减1
WaitForSingleObject（mutex,INFINITE）;
//信号量上锁
buffer[in]=in+1;
//往Buffer中放入产品
in=（in+1）%BUFFER_SIZE;
//放入指针调整，为下次送出做准备
printAll（）;
ReleaseMutex（mutex）;
//信号量解锁
ReleaseSemaphore（full,1,NULL）;
//满缓冲区加1，即当公共资源增加时，调用函数ReleaseSemaphore（）增加信号量
}while
（1）;
}
4.2.2消费者（Consumer）模块
消费者线程从缓冲区中读取数据，且消费者读取的数目不能超过生产者写入的数目。
消费者取数据之前，首先检查缓冲区中是否存在装有数据的存储单元，若缓冲区为“空”，则阻塞等待，否则，判断缓冲区是否正在被使用，若正被使用，若正被使用，则阻塞等待，否则，获得缓冲区的使用权，进入缓冲区取数据，释放缓冲区的使用权。
其执行流程如图3所示：
图3消费者流程图
//消费者线程
DWORDWINAPIConsumer（LPVOIDlpPara）
WaitForSingleObject（full,INFINITE）;
//满缓冲区减1
buffer[out]=0;
//从Buffer中取出产品
out=（out+1）%BUFFER_SIZE;
//取指针调整，为下次取做准备
ReleaseSemaphore（empty,1,NULL）;
//空缓冲区加1
5详细设计
5.1源程序代码
#include<
iostream>
#include<
stdio.h>
pthread.h>
semaphore.h>
windows.h>
usingnamespacestd;
DWORDWINAPIProducer（LPVOID）;
DWORDWINAPIConsumer（LPVOID）;
#defineWINAPI_stdcall
#defineTHREAD_NUM20
#defineBUFFER_SIZE20//20个缓冲区
intbuffer[20]={0};
HANDLEempty;
HANDLEfull;
HANDLEmutex;
//formutualexclusion进程信号量
intin=0;
//pointtothenextfreepositon
intout=0;
//pointtothefirstfullpositon
//把所有的缓冲区输出到屏幕上
voidprintAll（）{
inti;
for（i=0;
i<
20;
i++）
cout<
<
"
"
;
cout<
endl；
currentproducerpointer:
in<
endl;
currentconsumerpointer:
out<
XX文库-让每个人平等地提升自我//满缓冲区加1，即当公共资源增加时，调用函数ReleaseSemaphore（）增加信号量
//主线程
intmain（）
{//创建进程
DWORDproducer[THREAD_NUM],consumer[THREAD_NUM];
mutex=CreateMutex（NULL,FALSE,NULL）;
//用默认属性初始化一个互斥变量mutex
HANDLEThreadHandle[THREAD_NUM];
//初始化信号量
full=CreateSemaphore（NULL,0,10,NULL）;
empty=CreateSemaphore（NULL,10,10,NULL）;
//CreateThreade函数用来创建生产者和消费者进程，其六个参数分别表示为安全设置，堆栈大小，入口函数，函数参数，启动选项，输出线程ID，返回线程句柄
for（inti=0;
THREAD_NUM;
{
ThreadHandle[i]=CreateThread（NULL,0,Producer,NULL,0,&
producer[i]）;
ThreadHandle[i]=CreateThread（NULL,0,Consumer,NULL,0,&
consumer[i]）;
ThreadHandle[i+1]=CreateThread（NULL,0,Producer,NULL,0,&
producer[i+1]）;
ThreadHandle[i+1]=CreateThread（NULL,0,Consumer,NULL,0,&
consumer[i+1]）;
}
6程序运行结果及分析
6.1运行结果
进入Windows开发环境后，通过Vs2012编辑器在其中编写。
进入Vs2012的命令，对程序执行编译运行命令后，即可在屏幕上显示出程序运行的结果，其运行结果如下图5所示：
7总结
其实在做这道题目时花费了好长时间，第一点是书上大多介绍的是关于UNIX系统下的消费者生产者线程问题，因此一开始调试不出来，后来查阅了有一些资料知道要在windows平台下运行必须要导入<
以及<
两个库。
通过这次课程设计,不但加深了对操作系统这们课程的认识,而且还了解了操作系统中使用信号量解决生产者—消费者问题算法的实现。
比如：
用信号量解决生产者—消费者问题时，可以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去走产品并消费它。
为了解决生产者/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full表示，其初始值为有界缓冲区的大小；
另一个表示缓冲区中产品的数目，用empty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，所以还需要再设置一个互斥信号量mutex，起初值为1。
在生产者/消费者问题中，信号量实现两种功能。
首先，它是生产产品和消费产品的计数器，计数器的初始值是可利用的资源数目（有界缓冲区的长度）。
其次，它是确保产品的生产者和消费者之间动作同步的同步器。
生产者要生产一个产品时，首先对资源信号量full和互斥信号量mute进行操作，申请资源。
如果可以通过的话，就生产一个产品，并把产品送入缓冲区。
然后对互斥信号量mutex和资源信号量empty进行操作，释放资源。
消费者要消费一个产品时，首先对资源信号量empty和互斥信号量mutex进行操作，申请资源。
如果可以通过的话，就从缓冲区取出一个产品并消费掉。
然后对互斥信号量mutex和资源信号量full进行操作，释放资源。
另外，使我们体会最深的是：
任何一门知识的掌握，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达到功效。
短短的课程设计就要结束了，不但对专业知识有了更深的理解，更使自己认识到实践的重要性，理论、实践相结合才能达到很好的学习效果，特别是程序语言的学习。
升级会员 